ANDRÉ LUIS MADEIRA NEVES BARRETO IVAN JOSÉ FERREIRA
UPS: SISTEMAS ININTERRUPTO DE ENERGIA (NOBREAK) APLICAÇÃO, ESPECIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO
Palhoça 2018
ANDRÉ LUIS MADEIRA NEVES BARRETO IVAN JOSÉ FERREIRA
UPS: SISTEMAS ININTERRUPTO DE ENERGIA (NOBREAK) APLICAÇÃO, ESPECIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Sheila Travessa.
Palhoça 2018
RESUMO
Com a necessidade cada vez maior de uma fonte de energia livre de faltas e outros
distúrbios nas mais variadas áreas, o uso dos nobreaks vem ganhando espaço. Este
trabalho foi elaborado com o objetivo de ser um tutorial para utilização em fontes de
energia ininterrupta, visando melhorar a eficiência e confiabilidade do sistema. Foi
realizado um estudo demonstrando: as aplicações de nobreaks em diversas áreas, os
principais fatores que determinam a qualidade do equipamento, uma sequência de
instruções quanto a ensaios realizados em fábricas, de acordo com a norma IEC
6240-3 (1999), e instruções para o correto dimensionamento do Nobreak e do banco
de baterias, além de uma coletânea de informações sobre como melhorar a vida útil
das baterias com ênfase nas baterias de chumbo-ácido. A metodologia utilizada foi
uma sequência de estudos e pesquisas relativos em: áreas de atuação, buscando
conhecimentos de como e onde fontes de energia ininterrupta são utilizadas e seu
objetivo. Quais as instruções das normas para ensaios e dimensionamento de UPS e
quais os procedimentos para melhorar a vida útil das baterias, entre outros. Como
resultado da nossa pesquisa, concluímos que as características mais relevantes para
a melhor eficiência e confiabilidade de uma UPS são obtidas por ensaios nas duas
partes que compõem o sistema: o nobreak e o banco de baterias. Cada ensaio é
demonstrado no capítulo de especificação, junto de uma breve explicação de porque
essas características são relevantes. Como instrução tutorial, também foi
demonstrado como são feitos os dimensionamentos do Nobreak e do banco de
baterias nos capítulos 4 e 5, reforçando os aspectos de eficiência e confiabilidade por
uso correto dos equipamentos envolvidos.
Palavras-chave: Nobreak. UPS. Distúrbios. Aplicação de Nobreak. Dimensionamento de Nobreak. Dimensionamento de banco de baterias.
ABSTRACT
With the ever-increasing need for a power supply free of faults and other disturbances
in the most varied areas, the use of nobreaks has been gaining ground. this work was
done with the objective of becoming a tutorial of the use of uninterrupted power
sources aiming at improving the efficiency and reliability of the system. a study was
carried out showing: the applications of nobreaks in several areas, the main factors
determining the quality of the equipment, a sequence of instructions for the tests
carried out in factories according to IEC 62040-3 (1999) and instructions for the
correct dimensioning of the Nobreak and battery bank, plus a collection of
information on how to improve battery life with an emphasis on lead-acid batteries.
The methodology used was a sequence of studies and research related to: areas of
action seeking knowledge, how and where uninterruptible power supplies are used
and for which purpose, what are the instructions of the standards for testing and
designing UPS, what procedures to improve the life of the batteries, among others.
As a result of our research we conclude that the most relevant characteristics for the
best efficiency and reliability of a UPS are obtained by tests in the two parts that
compose the system, the nobreak and the bank of batteries, each test is demonstrated
in the specification chapter together with a brief explanation as to why these
characteristics are relevant. As a tutorial instruction, it was also demonstrated how
the Nobreak and battery bank dimensions are made in Chapters 4 and 5, reinforcing
the aspects of efficiency and reliability for the correct use of the equipment involved.
Keywords: Nobreak. UPS. Disorders. Application of Nobreak. Sizing of Nobreak.
Sizing of battery bank.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Diagrama de Funcionamento de Nobreak do tipo Offline ... 22
Figura 2 – Diagrama de Nobreak do tipo Linha Interativa de Simples Conversão ... 24
Figura 3 – Diagrama de Nobreak do tipo Linha Interativa Convencional ... 25
Figura 4 – Diagrama de Nobreak do tipo Ferro Ressonante ... 26
Figura 5 – Diagrama de Nobreak do tipo Online Dupla Conversão ... 27
Figura 6 - Nobreaks em Paralelismo Passivo...33
Figura 7 - Nobreaks em paralelismo redundante ativo...30
Figura 8 – Exemplo de UPS modular...33
Figura 9 - Forma de onda da corrente na entrada de lâmpada incandescente...35
Figura 10 - Forma de onda da corrente na entrada de um computador...35
Figura 11 - Bateria de chumbo-ácido ventilada...37
Figura 12 – Bateria de Chumbo-ácido selada...38
Figura 13 – Diagrama geral do sistema de monitoramento de baterias...44
Figura 14 – Ensaio de rendimento...49
Figura 15- Ensaio de distorção harmônica...50
Figura 16- Ensaio de regulação estática...54
Figura 17 – Ensaio de regulação dinâmica...55
Figura 18 – ensaios de desequilíbrio de carga...57
Figura 19 -Ensaio de curto circuito na saída...59
Figura 20 – Ensaio de ruído acústico...62
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CA/CC-Conversão corrente alternada para corrente contínua
CC/CA-Conversão corrente contínua para corrente alternada
CC/CC-Conversão corrente contínua para corrente contínua
FP-Fator de Potência (Power Factor)
UPS-Sistema Ininterrupto de Energia (Uninterruptible Power System) ou NOBREAK
TI-Tecnologia da Informação PB-Componente chumbo H-Componente hidrogênio S-Componente enxofre O-Componente oxigênio %-Por cento Kt-Fator K e--Elétron m-Mili 10-3 L-Litros FC-Fator de crista I-Corrente elétrica W-watts g-Gramas s-Segundos V-Volts A-Ampères K-Quilo-103 P-Potência
η-Rendimento
THD-Distorção harmônica
THDI-Distorção harmônica total da corrente
THDV-Distorção harmônica total na tensão
rms-Root mean square
CA-Corrente alternada
CC-Corrente contínua
MTBF-mean time between failures(tempo médio entre falhas)
VRLA-valve-regulated lead-acid battery(bateria de chumbo-ácido regulada por válvula)
AGM Absorbed Glass Mat(gel de vidro absorvente)
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos problemas na qualidade de energia mais comuns a serem
solucionados por Nobreak...18 Tabela 2 - exemplos de valores de descarga estabelecidos por umfabricante...41 Tabela 3 - Tabela de características da UPS 120 kVA...47 Tabela 4 - Tabela para anotação das medições do ensaio de curva de descarga do banco de baterias...60 Tabela 5 - Dados de dimensionamento da bateria...75
LISTA DE GRAFICOS
Gráfico 1 - Ciclos de carga e descarga em função da profundidade de descarga...42 Gráfico 2 - Valores de K para bateria tipo TM75 a 25 graus e densidade 1,21...69 Gráfico 3 - Valores de K para bateria- Hypothetical composite rating curve for XYZ cell
manufactured by ABC company...71
Gráfico 4 - Gráfico de interações...73 Gráfico 5 -Exemplo gráfico de interações...75
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.2 JUSTIFICATIVA ... 14 1.3 OBJETIVOS ... 14 1.3.1 Objetivo Geral ... 14 1.3.2 Objetivos Específicos... 14 1.4 DELIMITAÇÕES ... 15 1.5 METODOLOGIA ... 15 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
2.1 DISTÚRBIOS NA REDE ELÉTRICA ... 17
2.1.1 Interrupção (Falta de Rede CA) ... 18
2.1.2 Afundamento Instantâneo da Tensão (SAG) ... 18
2.1.3 Elevação Instantânea de Tensão (Surge) ... 19
2.1.4 Afundamento Momentâneo de Tensão (Brownouts) ... 19
2.1.5 Elevação Momentânea de Tensão - Sobretensão (Swell) ... 19
2.1.6 Transitório Impulsivo (Spikes) ... 19
2.1.7 Variação na Frequência ... 20
2.1.8 Ruídos ... 20
2.1.9 Distorção Harmônica ... 20
2.2 TOPOLOGIAS DE NOBREAKS ... 21
2.2.1 Nobreak Stand-by (Off-Line) ... 21
2.2.2 Nobreak linha interativa (Line Interactive) ... 22
2.2.2.1 Nobreak linha interativa de simples conversão ... 23
2.2.2.2 Nobreak linha interativa convencional ... 24
2.2.3 Nobreak Stand-by Ferro Ressonante ... 25
2.2.4 Nobreak Online Dupla Conversão ... 26
2.3 ÁREAS DE APLICAÇÃO DE NOBREAK ... 27
2.3.1 Aplicação de Nobreak na área de Centro Urbano ... 28
2.3.2 Aplicação de nobreak na área de Telecomunicações ... 28
2.3.3 Aplicação de nobreak na área Médica ... 29
2.4 APLICAÇÃO DE NOBREAK EM PARALELO ... 30
2.5 APLICAÇÃO DE NOBREAK MODULAR ... 32
2.6 APLICAÇÃO DE NOBREAK COM TRANSFORMADOR ISOLADOR NA ENTRADA ... 33
2.7 CARGAS NÃO-LINEARES ... 33
2.7.1 Fator de Crista ... 34
2.8 BATERIAS ... 35
2.8.1 Baterias de Chumbo-Ácido ... 36
2.8.1.1 Baterias de chumbo-ácido estacionárias ... 38
2.8.1.2 Baterias de chumbo-ácidos Tracionárias ... 39
2.8.1.3 Baterias de chumbo-ácidos de Partida ... 39
2.8.2 Vida útil média ... 39
2.8.2.1 Temperatura de Operação ... 40
2.8.2.2 Regime de carga ... 40
2.8.2.3 Profundidade de descarga ... 41
2.8.2.4 Número de ciclo de carga e descarga ... 41
2.8.3 Vantagens e desvantagens das baterias de chumbo-ácido ... 42
2.8.4 Monitoramento ... 43 2.8.5 Descarte ... 44 2.8.5.1 Reciclagem ... 44 3 ESPECIFICAÇÃO DO NOBREAK ... 46 3.1 RENDIMENTO ... 48 3.2 FATOR DE POTÊNCIA ... 49 3.3 DISTORÇÃO HARMONICA ... 50 3.4 RIPPLE ... 51
3.4.1 Ripple na tensão de bateria ... 51
3.4.2 Ripple na corrente de bateria ... 52
3.5 REGULAÇÃO DE TENSÃO ... 52
3.5.1 Regulação estática ... 53
3.5.2 Regulação dinâmica ... 54
3.6 DESEQUILIBRIO DE CARGA ... 56
3.7 TEMPO DE TRANSFERÊNCIA DA CHAVE ESTÁTICA ... 57
3.8 TESTE DE CURTO CURCUITO NÃO PERMANENTE ... 58
3.10 ENSAIO DE CURVA DE DESCARGA DO BANCO DE BATERIAS ... 60
3.11 RUÍDO ACÚSTICO ... 61
4 DIMENSIONAMENTO NOBREAK ... 63
4.1 MEDIÇÃO DAS POTÊNCIAS ATIVAS E REATIVAS ... 63
4.2 FATOR DE CRISTA DA CARGA ... 63
4.3 DINÂMICA DA CARGA ... 64
4.4 REGULAÇÃO ESTÁTICA ... 64
4.5 FATOR DE POTÊNCIA ... 64
4.6 RUÍDO ACÚSTICO ... 64
4.7 DISTORÇÃO HARMÔNICA MÁXIMA ... 65
5 DIMENSIONAMENTO DO BANCO DE BATERIA... 66
5.1 NÚMERO DE ELEMENTOS ... 66
5.1.1 Fatores limitantes ... 67
5.2 CAPACIDADE DA BATERIA ... 68
5.2.1 Fator de capacidade (Fator Kt)... 68
5.3 CLASSIFICAÇÃO DE CARGAS PARA DIMENSIONAMENTO ... 69
5.4 DIMENSIONAMENTO PARA CARGA CONTÍNUA ... 70
5.4.1 Cálculo da corrente ... 70
5.4.2 Dimensionamento de bateria com uma corrente de descarga contínua ... 71
5.5 CÁLCULO DE DIMENSIONAMENTO DE CARGAS ALEATÓRIAS ... 72
5.6 CONSIDERAÇÕES ADICIONAIS ... 80
5.6.1 Correção da capacidade em função da temperatura ... 80
5.6.2 Fator de envelhecimento ... 81
5.6.3 Fator de segurança ... 81
6 CONCLUSÃO ... 82
1 INTRODUÇÃO
Neste trabalho foi realizado um estudo de aplicação, especificação e dimensionamento de fonte ininterruptas de energia (Nobreak, Uninterruptable Power Supply - UPS).
Estes aparelhos se mostram de extrema utilidade e importância em diversas áreas, sendo capazes de manter equipamentos dependentes de energia elétrica em funcionamento por um certo período, durante uma falta ou queda de energia, além de poder isolar equipamentos da rede proporcionando uma tensão estável e limpa, poupando-os de perturbações da rede na carga, segundo Revista Controle & Automação (2011).
Sistemas ininterruptos de energia tem sua aplicação em diversas áreas, como por exemplos: data centers, nas indústrias, transportes, companhias de energia, companhias de petróleo e gás, mineração, metalúrgica, hospitalar, residencial, comercial, onde houver necessidade de um fornecimento de energia contínuo. O equipamento é usado em aplicações onde o sistema não pode sofrer interrupções de energia devido aos prejuízos financeiros, perdas de informações valiosas, perda de equipamentos, perdas de produtos sendo produzidos e até mesmo vidas dependentes de equipamentos hospitalares, de acordo com o site upsbr (http://upsbr.com.br/#segmentos – UPSBR - 2018).
De maneira resumida, a maioria dos UPS consistem de um retificador, que transforma a energia da rede de CA para CC, de forma a alimentar um banco de baterias que fornecerá energia quando a rede apresentar falhas passando em sequência por um inversor que transformará a onda de saída do nobreak de volta para CA. Também podem possuir uma chave estática que serve para selecionar o modo de operação do Nobreak, estes possuem três modos de operação: o modo Bypass, o modo normal e o modo bateria. No modo Bypass, os equipamentos de carga estão alimentados com energia diretamente da rede e o nobreak não estaria agindo nesse modo. O modo normal, a rede está alimentando o nobreak e o mesmo está alimentando a carga, enquanto simultaneamente o nobreak está carregando as baterias. O modo de baterias é acionado quando há uma queda de energia na rede e as cargas começam a ser alimentadas pelas baterias até um determinado nível de tensão, segundo o Manual: WEG
Critical Power – 0502051.
De acordo com o site creativecopias (2017), o nobreak pode ser classificado quanto a três características principais que são: o modo de funcionamento, o tipo de onda da saída e a inteligência. Quanto ao modo de funcionamento existem três classificações: os Off-line (chamados de Short Breaks, pois não fornecem energia ininterrupta; existe um leve “delay” de
tempo até que as baterias comecem a alimentar as cargas, não garantindo assim a confiabilidade para todos os tipos de equipamento na carga), os Interativos com linha (onde a energia provem tanto da linha como da rede, diminuindo assim o “delay” de tempo) e os On-line (que são considerados os Nobreak verdadeiros, onde a energia é proveniente totalmente do banco de baterias). Existem também os nobreaks inteligentes que são de muita utilidade na informática, capazes de enviar mensagens para computadores avisando de quedas de energia e permitindo assim o usuário (ou um algoritmo na programação) salvar os trabalhos antes que as baterias cheguem a atingir energia insuficiente e tudo em que se estava trabalhando seja perdido.
De maneira complementar, uma definição idealizada é proposta por Bekiarov e Emadi (2002):
um nobreak ideal deveria ter as seguintes características: tensão de saída senoidal regulada com reduzida Taxa de Distorção Harmônica (THD) independente de mudanças na tensão de entrada ou na carga, operação on-line que Implique em tempo de transição "zero" entre os modos rede e bateria e vice-versa, reduzido THD da corrente senoidal na entrada e Fator de Potência (FP) unitário, elevada confiabilidade, elevada eficiência, reduzida Interferência Eletromagnética (EMI) e isolação acústica, isolação elétrica, baixa manutenção, e baixo custo, volume e tamanho.
Verificar a especificação do equipamento e o dimensionamento é de grande importância na compra do Nobreak e o banco de baterias, sendo coerente com a carga a ser alimentada.
1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
De acordo com a IEC 62040 (1999), as fontes ininterruptas de energia podem apresentar problemas durante sua utilização devido à aplicação errada ou ao mau dimensionamento ou até mesmo devidos a falhas no seu próprio sistema interno ou externo, que são as baterias. Outro problema a ser considerado é a qualidade que o equipamento deve apresentar, uma UPS pode inserir distorções harmônicas na rede em que está conectada, gerando mau funcionamento em outros equipamentos ou fazendo com que as proteções atuem de forma indevida. Além disso, o fator de potência pode ser baixo, gerando potência reativa para a rede.
Segundo a IEC 62040 (1999), algumas UPS possuem rendimento baixo, para equipamentos de grande porte, podendo com isso gerar um grande desperdício de energia, aumentando o valor da fatura de energia.
Conforme o site Nobreak do Brasil (https://nobreakdobrasil.com.br/blog/a-importancia-das-baterias-em-ups/ - Nobreak do Brasil - 2017), as baterias estão entre os elementos mais importante do sistema, pois na falta da energia da rede, é ela que vai fornecer energia para a carga. O mau dimensionamento e carregamento inadequado das baterias podem reduzir a autonomia e até mesmo a redução de sua vida útil.
1.2 JUSTIFICATIVA
Cada vez existe mais a necessidade de garantir a confiabilidade do fornecimento de energia ao sistema conectado à rede, por isso criou-se os sistemas ininterruptos de energia com a função de alimentar cargas elétricas críticas perante anomalias na rede elétrica. Uma falha na rede elétrica é extremamente prejudicial em diversas áreas, como: na informática, onde muitas informações ou acessos podem ser perdidos; em hospitais, durante cirurgias e pessoas sobrevivendo por aparelhos dependentes de energia elétrica, onde colocaria vidas em risco; na telecomunicação, cortando transmissões; e na indústria, onde a falha de energia gera um enorme prejuízo, perdendo produtos na linha produção. Por estes e outros motivos existem a necessidade de um sistema robusto e de qualidade que garanta sempre o fornecimento de energia para essas cargas críticas em casos de anomalia ou falta da rede, segundo Gabitti (1991).
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho consiste na realização de um estudo sobre fontes de energia ininterrupta, verificando quais aspectos que poderiam gerar uma melhoria na eficiência e confiabilidade do sistema.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Indicar em quais aplicações se faz necessário a utilização de fontes ininterruptas de energia.
• Determinar a qualidade do equipamento e como dimensionar o Nobreak com determinadas cargas.
• Levantar os aspectos relevantes para manter a vida útil das baterias, visando sua autonomia máxima.
1.4 DELIMITAÇÕES
Este se trata de um tutorial sobre a utilização de Nobreaks que se limita a um estudo de aplicações, características e dimensionamento de fontes ininterruptas de energia. Através deste trabalho o leitor conhecerá sobre as áreas de aplicação, técnicas e ensaios utilizados para certificar as características do equipamento em fábrica e fazer o dimensionamento do equipamento e do banco de baterias, conforme as propriedades da carga.
Neste trabalho não será projetado um equipamento, somente foram feitos estudos bibliográficos através de normas, catálogos de fabricantes entre outras fontes. O Nobreak da categoria on-line de médio e grande porte será tomado como referência para os testes e ensaios dos capítulos 3 e 4, pois equipamentos de médio e grande porte possui um custo de aquisição alto, é propício realizar ensaios para certificar sua qualidade.
1.5 METODOLOGIA
Neste trabalho foi feita uma análise sobre as áreas de aplicação de Nobreaks demonstrando sua necessidade e utilidade nas áreas: hospitalares, industriais, sistemas de comunicação e informática. Na sequência foi feito um estudo de especificação demonstrando ensaios realizados em fábricas para obter características do equipamento, o funcionamento do UPS nas suas variedades de ensaios e de dimensionamento para demonstrar o uso adequado do mesmo.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho foi desenvolvido focando em seis capítulos principais. No primeiro são apresentadas a introdução, justificativa, objetivos do trabalho, delimitações e metodologia. O segundo capítulo aborda a revisão bibliográfica, onde serão apresentados os principais tipos de distúrbio na rede elétrica, as principais topologias de nobreaks comercializadas, as áreas de aplicação dos nobreaks, conceito de cargas não-lineares, fator de crista e estudos sobre baterias de chumbo-ácido.
No terceiro capítulo, é referente as especificações de UPS, onde serão apresentados alguns procedimentos de ensaios para verificação das características da UPS.
No quarto capítulo será feito um levantamento de algumas características da instalação a ser considerada para fazer um correto dimensionamento da UPS, demonstrando uma aplicação dos itens vistos no terceiro capítulo.
No quinto capítulo, são apresentados métodos de dimensionamento de bancos de baterias, onde será utilizado a norma NBR 15254 (2005) como referência.
Por fim o sexto capítulo, onde são apresentadas as conclusões obtidas com esse trabalho.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo foi elaborado, uma sequência de informações relacionadas aos principais distúrbios na qualidade de energia elétrica, uma classificação das topologias de UPS, a demonstração da necessidade nas maiores áreas de aplicação, uma explanação sobre o conceito de carga não-linear e fundamentos sobre a parte mais essencial de um nobreak, a bateria.
2.1 DISTÚRBIOS NA REDE ELÉTRICA
Segundo Apolinário (2017), a melhor referência para a qualidade da rede elétrica é a forma de onda da tensão, sendo de natureza senoidal e com amplitude e frequência definida. A capacidade de um nobreak de corrigir distúrbios na rede depende de sua categoria e de qual tipo de distúrbio se trata.
Tabela 1 - Classificação dos problemas na qualidade de energia mais comuns a serem solucionados por Nobreak.
Fonte: Apolinário (2017).
2.1.1 Interrupção (Falta de Rede CA)
Caso em que a rede elétrica é interrompida totalmente devido a interferências ocasionando desligamento total da carga. As interrupções do fornecimento de energia podem ser classificadas quanto a sua causa, podendo ser preventivas ou acidentais. No caso das acidentais a origem das interrupções pode ser devido às falhas no sistema de geração, transmissão, distribuição ou mesmo nas instalações do cliente, conforme o site eem.pp( https://www.eem.pt/pt/conteudo/clientes/interrup%C3%A7%C3%B5es-do-fornecimento-de-energia/o-que-provoca-as-interrup%C3%A7%C3%B5es-de-energia/ - EEM - 2017)
2.1.2 Afundamento Instantâneo da Tensão (SAG)
Conforme Capelli (s.d.), o Afundamento Instantâneo é um tipo de distúrbio que se caracteriza por uma redução momentânea de tensão, com uma duração aproximada de 3 a 4 ciclos senoidais (aproximadamente, 48 a 64 ms). As causas do SAG, na maioria dos casos, são determinadas por condições de falta, energização de grandes cargas, as quais requerem altas
correntes de partida, curto-circuito ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos do sistema, segundo Ferreira (2010).
2.1.3 Elevação Instantânea de Tensão (Surge)
De acordo com Arruda (2003), uma elevação instantânea de tensão é determinada como um crescimento na tensão com duração de meio ciclo por minuto. Geralmente são associadas a curto-circuito fase-terra, onde as fases não defeituosas sofrem uma elevação de tensão. São também associados a grandes blocos de carga e grandes bancos de capacitores.
2.1.4 Afundamento Momentâneo de Tensão (Brownouts)
Como o nome sugere, é caracterizado por uma drástica redução no valor da tensão eficaz da rede elétrica por um intervalo relativamente longo de tempo, segundo Rocha, (2014). As causas são relacionadas com problemas no funcionamento das concessionárias ou sobrecargas na rede elétrica. Acabam por danificar as cargas, provocando a queima dos equipamentos.
2.1.5 Elevação Momentânea de Tensão - Sobretensão (Swell)
Um dos tipos de distúrbios mais frequentes caracterizado pelo aumento da tensão eficaz, geralmente causado por uma grande variação na demanda de um sistema elétrico. Pode causar a redução na performance, desligamento, mau funcionamento e queima de equipamentos, conforme Rocha (2014).
2.1.6 Transitório Impulsivo (Spikes)
Os transitórios impulsivos são causados por descargas atmosféricas e, geralmente, são caracterizados pelo tempo de subida e descida do impulso. Sua definição pode ser dada por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e frequência bastante diferente daquela da rede elétrica, em conformidade com Arruda (2003).
2.1.7 Variação na Frequência
Conforme Arruda (2003), estes distúrbios são definidos como variações do valor fundamental da frequência (50 ou 60 Hz). Como o valor da frequência está diretamente relacionado com a velocidade de rotação do gerador, que não funciona de forma idealizada, devido a variações abruptas de cargas do sistema ou causado por faltas nos sistemas de transmissão, como desligamento de um bairro, cidade ou saída de geradores de grande porte do sistema elétrico. Valores que ultrapassam o limite de 0,5 Hz são considerados distúrbios.
Segundo o site SMS (http://www.sms.com.br/respostas-sms/sobre-energia/disturbios-energia/variacoes-frequencia/variacoes-frequencia.asp - s.d.), esses distúrbios são mais facilmente encontrados em sistemas que utilizam grupos geradores que assumem o fornecimento de energia, na falta da rede da concessionaria. A resposta inadequada do controle desses geradores a variações abruptas de carga pode gerar desvios sensíveis na frequência de saída, segundo as normas IEC 61000-2-2, são aceitáveis variações de até + −⁄ 1Hz.
As fontes chaveadas são menos sensíveis a grandes variações de frequência da rede, o que não ocorre com fontes lineares, pois o transformador pode sofrer um sobreaquecimento e até mesmo queimar, em concordância o SMS (s.d.).
2.1.8 Ruídos
São sinais elétricos com frequência inferior a 200 kHz, que se somam ao sinal de potência principal, podendo afetar tanto a tensão quanto a corrente ocasionando problemas na rede. Esse distúrbio é provocado de várias formas, podendo ser de natureza interna, quando o ruído já vem agrupado ao sinal de origem, ou por influencias externas, onde é causado por diversos componentes com características eletromagnéticas ao longo do sistema. As áreas mais afetadas por esse tipo de ruído são as que trabalham com valores de tensão muito baixos e se o sinal sofrer um ruído pode ocorrer um erro na leitura confundindo o sistema, em conformidade com Pimentel (2016).
2.1.9 Distorção Harmônica
Equipamentos eletrônicos modernos com cargas não lineares são responsáveis pela inserção de correntes ou tensões com diferentes níveis, frequências e até outras formas de onda
na rede elétrica. Tal onda acaba tendo sua forma alterada pelo somatório com as formas de ondas geradas pelos equipamentos, prejudicando assim a qualidade no sistema supridor além de causar mau funcionamento em sistemas com fontes lineares e motores e diminuindo a vida útil de transformadores, conforme Arruda (2003).
2.2 TOPOLOGIAS DE NOBREAKS
Em função da disposição dos circuitos que compõem o nobreak, são geradas diferentes topologias com características bem distintas. De acordo com a NBR 15014 (2003) e a IEC 62040-3 (1999), os nobreaks são classificados em três classes distintas: Standby, Interativo e On-line.
2.2.1 Nobreak Stand-by (Off-Line)
Chamados de também de Short Breaks, pois não fornecem energia ininterrupta; existe um leve “delay” de tempo até que as baterias comecem a alimentar as cargas, não garantindo assim a confiabilidade para todos os tipos de equipamento conectados, segundo Ferreira (2013). Essa topologia de nobreak possui dois modos de operação que são selecionados por uma chave de transferência, onde essa chave é programada para alimentar a carga com a rede ou com o inversor. Quando a rede está presente com os parâmetros preestabelecido a chave é selecionada para alimentar a carga com a rede da concessionária, porem quando a rede apresentar alguma característica que exceda os parâmetros estabelecidos pela chave, essa é aberta e é dado partida no inversor. Sendo assim, a chave seleciona o inversor para alimentar a carga, iniciando a descarga da bateria, (conjunto bateria/inversor). Retornando a rede aos parâmetros normais, a chave transfere a carga para rede novamente. Entretanto, por não possuir a capacidade de estabilização, gera frequentes processos de descarga e carga das baterias, reduzindo drasticamente a vida útil das mesmas. Durante a transferência da carga, rede/inversor ou vice-versa, existe uma interrupção na tensão de saída de, aproximadamente, 5 a 10 ms conforme Barbian (2013).
Segundo Barbian (2013), esse tipo de topologia apresenta proteção só para três tipos de distúrbio, deixando a carga exposta a um risco muito elevado a demais perturbações, conforme tabela 1. São mais comuns em computadores pessoais e o mais vendido, devido ao seu baixo custo em relação a outras topologias. São os equipamentos que possuem forma de
onda quadrada na saída do inversor e com elevado conteúdo harmônico, por apresentar uma tensão de saída de baixa qualidade e tempo de interrupções longo nas transferências entre rede para inversor ou vice-versa. Não são recomendados para alimentar cargas sensíveis a esse tempo de interrupção de tensão, levando o equipamento ao desligamento.
Essa topologia apresenta um inversor dimensionado para operações eventuais, apenas por alguns minutos e o carregador de baterias possui pequena capacidade de recarga das baterias. Não recomendado em aplicações com longo tempo de autonomia. Conforme fabricante de nobreak PHD online(http://www.phdonline.com.br/home/diferentes-topologias-de-no-breaks-qual-escolher/ - S.D.).
A figura 1 é o diagrama unifilar do funcionamento deste modelo, onde a linha contínua representa a alimentação primária, e a linha tracejada o sistema carregador de bateria e inversor, utilizado para alimentação do sistema durante a falta de energia.
Figura 1- Diagrama de funcionamento de nobreak do tipo Offline
Fonte: BARBIAN, (2013)
2.2.2 Nobreak linha interativa (Line Interactive)
Essa topologia possui uma estrutura interna muito semelhante à do standby, tendo como a rede da concessionária como preferencial, pois a carga está sempre conectada à rede enquanto a mesma estiver com os parâmetros preestabelecido normais. Essa estrutura oferece
proteção contra falta de rede e variações da amplitude da rede, tendo proteção nos três tipos de distúrbios apresentados na tabela 1, de acordo com o site DMESG (https://www.dmesg.com.br/tipos-de-nobreak-formas-de-onda-e-suas-aplicacoes/ - 2011).
Os modelos de linha interativa são utilizados na maioria das vezes em pequenas e médias empresas e são classificados em três tipos de estruturas: interativo de simples conversão, interativo convencional e interativo ferro-ressonante, segundo o site dmesg (https://www.dmesg.com.br/tipos-de-nobreak-formas-de-onda-e-suas-aplicacoes/ - 2011).
2.2.2.1 Nobreak linha interativa de simples conversão
A estrutura, representada pela figura 2, apresenta um inversor bidirecional em paralelo e adjunto a carga e banco de baterias. O inversor desempenha duas funções, carregando as baterias quando a rede está presente, sem a necessidade de um carregador como nas outras duas estruturas, e alimenta a carga quando a rede não está presente, entrando em modo de descarga da bateria.
Inicialmente a carga é alimentada pela rede, e o inversor também, com o inversor comportando-se como um conversor CA/CC, carregando as baterias. Quando houver uma falha na rede, a chave de transferência é aberta e o inversor é ativado de forma inversa, transformando a energia proveniente da bateria novamente em CA para a carga.
Segundo Barbian (2013), normalmente nestes equipamentos possuem um transformador com variação de tap, fazendo a regulação da tensão de entrada, acrescentando uma segurança sobre a variação da mesma na entrada, mesmo com o nível de tensão mais baixo, a carga continua sendo alimentada pela rede, sendo assim o nobreak só entra em modo de descarga de baterias quando houver uma necessidade extrema, de conforme com Apolinario (2017).
Dentre os benefícios, os mais significativos são os altos níveis de eficiência, tamanho reduzido, baixo custo e principalmente a alta confiabilidade, unido com a capacidade de corrigir defeitos provenientes da rede elétrica, de acordo com Barbian (2013).
Na figura 2 tem-se uma representação em diagrama unifilar do funcionamento desse modelo, onde a linha contínua representa a alimentação primária, e a linha tracejada o sistema carregador de bateria e inversor, utilizado para alimentação do sistema durante a falta de energia.
Figura 2 - Diagrama de Nobreak de Linha Interativa de simples conversão
Fonte: BARBIAN, (2013)
2.2.2.2 Nobreak linha interativa convencional
Essa topologia é idêntica ao do standby tendo como acréscimo um estabilizador na entrada da rede, para corrigir a variação de tensão da rede, fazendo com que o nobreak não entre em modo de bateria com qualquer oscilação na rede, conforme o site dmesg (https://www.dmesg.com.br/tipos-de-nobreak-formas-de-onda-e-suas-aplicacoes/ - 2011).
Na figura 3 tem-se uma representação em diagrama unifilar do funcionamento deste modelo, onde a linha contínua representa a alimentação primária, e a linha tracejada o sistema funcionando em modo bateria, utilizado para alimentação do sistema durante a falta de energia.
Figura 3 - Diagrama de Nobreak de Linha Interativa convencional
Fonte: NBR 15014 (2003)
2.2.3 Nobreak Stand-by Ferro Ressonante
Na estrutura de circuito, mostrada na figura 4, a rede é conectada da entrada até a saída através de uma chave de transferência e de um transformador especial de saturação que possui três bobinas. O inversor encontra-se em standby, só entra em funcionamento somente na ocasião de falha da rede. Quando acontece uma falha na rede elétrica da concessionária, a chave abre e o inversor entra em funcionamento alimentando a saída do nobreak. A capacidade especial do transformador de ferro-ressonância fornece regulação de tensão suficiente e correção da onda de saída.
As vantagens desse tipo de transformador é o isolamento dos transitórios da alimentação da rede fornecido por ele. Tem a eficiência tão boa ou melhor que qualquer filtro disponível, conforme o site dmesg (https://www.dmesg.com.br/tipos-de-nobreak-formas-de-onda-e-suas-aplicacoes/ - 2011). A desvantagem dessa estrutura é que o transformador produz severas distorções harmônicas, o que pode ser pior que problemas na rede elétrica, sendo necessário o uso de filtros para harmônicos de terceira e quinta ordem em paralelo com o transformador, possuem uma regulação estática ruim, grande quantidade de calor gerado, elevado ruído acústico, fortes odores de verniz e o tamanho do modelo que pode ser grande e pesado em relação aos modelos normais devido a esse transformador, de acordo com Barbian (2013).
Figura 4 - Diagrama de Nobreak Ferro Ressonante
Fonte: BARBIAN, (2013)
2.2.4 Nobreak Online Dupla Conversão
Esta topologia, figura 5, utiliza duas conversões de energia de CA/CC e CC/CA, onde o primeiro estágio é a retificação operando como conversor de tensão alternada para contínua, e o segundo estágio é o inversor que converte de tensão contínua para alternada na saída do nobreak, onde a tensão possui amplitude, frequência e forma de onda independente da entrada da rede, de acordo com Apolinário (2017).
Neste sistema, o fluxo de potência passa pelo retificador gerando o link CC carregando as baterias e passando pelo inversor alimentando a carga. A saída tem como preferencial a tensão do inversor, tendo a rede como reserva, quando à interrupção da rede elétrica não provoca a ativação da chave de transferência, isso porque a carga já está alimentada pelo inversor que é mantida através do banco de baterias que está conectado diretamente no link CC entre o retificador e o inversor não necessitando de um carregador de bateria dedicado, visto que o inversor está sempre alimentando a carga, conforme Barbian (2013). A chave de transferência ou chave estática só será acionada quando houver alguma anormalidade no
inversor, sobrecarga ou curto-circuito na saída do nobreak. É o mais comum dos Nobreaks, utilizados para faixas superiores a 10 kVA.
O grande problema deste sistema é que o carregador de bateria e o inversor convertem todo o fluxo de energia da carga, resultando em uma baixa eficiência energética e maior produção de calor, aumentando o desgaste dos componentes diminuindo sua vida útil, essa é a única topologia de nobreak que protege a carga contra todos os tipos de distúrbios apresentado na tabela 1, existentes na rede da concessionária, além de apresentar uma senoide perfeita, e oferecer a carga uma energia de qualidade com baixa distorção harmônica, tensão e frequência rigorosamente controlada e independentes da rede. Nobreak ideal para alimentação de cargas críticas, segundo Barbian (2013).
Figura 5 -Diagrama de Nobreak Online Dupla Conversão
Fonte: BARBIAN, (2013)
2.3 ÁREAS DE APLICAÇÃO DE NOBREAK
A queda de energia programada ou repentina pode ser uma das grandes responsáveis por transtornos tanto em residências quanto nos centros urbanos e industriais.
2.3.1 Aplicação de Nobreak na área de Centro Urbano
Nobreaks são cada vez mais utilizados nos centros urbanos para garantir o funcionamento do monitoramento através de câmeras de segurança sendo cada vez mais eficazes, não permitindo a perda do monitoramento durante uma falta de energia. Com isso promovendo maior segurança no intuito de comprovação da veracidade ou não de um fato ocorrido nos centros urbanos, em Semáforos instalados em cruzamos críticos, garantindo funcionamento normal dos mesmos durante uma falta de energia, em alarmes, conforme o site Nobreak do Brasil (https://nobreakdobrasil.com.br/aplicacoes/ - 2017).
Os nobreaks não servem apenas para proteger os computadores, uma residência possui vários equipamentos sensíveis a perturbações da rede elétrica, pois equipamentos eletrônicos são muito suscetíveis a tais perturbações, como as TVs, vídeo games, home teathers ou modens de internet. A utilização dos mesmos pode ir bem mais além do que preservar equipamentos eletrônicos, de acordo com o site do fabricante NHS (https://nhs.com.br/conheca-5-servicos-que-voce-nem-imaginava-que-precisa-de-um-nobreak/ - s.d.).
De acordo com o site Nobreak do Brasil
(https://nobreakdobrasil.com.br/aplicacoes/ - 2017), este modelo também possui aplicação na segurança da residência, sendo utilizado nas câmeras de vigilância, alarmes, em portões eletrônicos, onde o indivíduo não precisará descer do veículo para abrir o portão promovendo uma segurança.
2.3.2 Aplicação de nobreak na área de Telecomunicações
De acordo com o site Engetron (https://www.engetron.com.br/site/sala-de-imprensa/equipamentos-tem-aplicacao-e-modelos-variados - s.d.), os nobreaks são muito utilizados na área de telecomunicações nos data centers: servidores, redes e toda parte de Telecomunicações, onde o tráfego de informações é essencial. O armazenamento e segurança dos dados são vitais para o funcionamento de todo o sistema, pois cada vez mais somos dependentes dos meios de telecomunicações para as tarefas diárias.
2.3.3 Aplicação de nobreak na área Médica
As aplicações de nobreaks na área médica garantem o bom funcionamento de vários equipamentos sensíveis a perturbações, como exames de Raio-X e ecografia, para que os mesmos não sofram deformações ou ruído nas imagens devido às oscilações de energia, além do funcionamento dos equipamentos em casos de quedas de energia. Alguns Nobreak’s são desenvolvidos com recursos específicos para as demandas na área médica, tais como laboratórios, UTI, centros cirúrgicos, Home CARE, hospitais e clínicas, segundo o site Engetron (https://www.engetron.com.br/site/sala-de-imprensa/equipamentos-tem-aplicacao-e-modelos-variados - S.D.).
Outro conceito importante são as interfaces de automação e comunicação com diversos sistemas de controle, cada vez mais presentes em hospitais e clínicas, visando reduzir riscos e executar operações de manutenção preditivas e preventivas, de forma contínua e rápida, sem paralização de atividades, que na maioria das vezes, são ininterruptas, de acordo com Nobreak do Brasil (https://nobreakdobrasil.com.br/aplicacoes/ - 2017).
Na maioria dos processos de pesquisa e análise laboratorial qualquer interrupção pode comprometer os resultados, tornando-os inconsistentes. Desta forma os sistemas ininterruptos são fundamentais para garantir a qualidade e continuidade deste processo, de acordo com Nobreak do Brasil (https://nobreakdobrasil.com.br/aplicacoes/ - 2017).
.
2.3.5 Aplicação de Nobreak na área industrial
Na indústria, além do uso na parte de segurança, como câmeras, alarmes, controle de acesso de pessoas e na área de TI, também são utilizados na parte de produção, onde processos não podem ser interrompidos, ou para equipamentos sensíveis a perturbações na rede, podendo ocasionar diversos tipos de prejuízos, como a perda de matéria prima, dano no equipamento, produção interrompida, entre outros, em conformidade com os sites Nobreak do Brasil (https://nobreakdobrasil.com.br/aplicacoes/ - 2017) e dmesg (https://www.dmesg.com.br/tipos-de-nobreak-formas-de-onda-e-suas-aplicacoes/ -2011).
2.4 APLICAÇÃO DE NOBREAK EM PARALELO
Os nobreaks podem ser utilizados em paralelo quando a carga do nobreak existente na instalação aumenta. Acrescenta-se um nobreak em paralelo com o antigo para suprir a nova demanda da carga, normalmente o novo nobreak é de mesma potência e de mesmo fabricante.
Outra função para utilizar nobreaks em paralelo é para tornar o sistema redundante, onde dois ou mais nobreaks tem uma carga na saída compatível, na falha de um equipamento, o outro supre a carga, sendo assim o sistema torna-se mais seguro, conforme site RTA.
Para Alexandre Saccol Martins e Gerson Gabiatti s.d.
Esta configuração possui a maior confiabilidade entre todas as configurações dotadas de chave estática. Seu uso visa aumentar a confiabilidade do sistema através do aumento de atributos da rede alternativa do primeiro equipamento, trocando a rede elétrica, seu baixo MTBF e sua baixa qualidade, por um segundo Nobreak e sua maior confiabilidade e qualidade.
No caso de manutenção, proteções ou falha do primeiro equipamento, a carga é transferida integralmente ao segundo equipamento. Somente no caso de sobrecarga, curto-circuito ou a falha dos dois equipamentos simultaneamente, a carga será alimentada pela rede, ficando sujeita às suas perturbações.
Os nobreaks em paralelo têm duas configurações: paralelismo redundante passivo e ativo.
O paralelismo redundante passivo é quando a saída do primeiro é ligada na entrada do by-pass do segundo, conforme figura 6:
Figura 6 - Nobreaks em Paralelismo Passivo
Quando um equipamento apresentar defeito a carga sempre vai estar alimentada por um deles, mantendo o sistema seguro.
A descrição do funcionamento do sistema da figura 6 é descrito abaixo:
• O nobreak 1 e o nobreak 2 tem a entrada principal alimentada pela rede da concessionária, o nobreak 2 tem sua alimentação reserva da chave estática alimentada pela rede da concessionária também, a saída do nobreak 2 alimenta a entrada reserva da chave estática do nobreak 1;
• Quando o nobreak 1 apresentar defeito, a mesma transfere para sua alimentação reserva que é alimentada pelo nobreak 2, tendo assim a carga protegida pelo segundo nobreak;
• Quando a nobreak 2 apresentar defeito, transfere a sua saída para alimentação reserva, tendo assim a reserva do nobreak 1 desprotegida, mas a carga fica protegida pelo nobreak 1 que está em modo inversor. Fonte Alexandre Saccol Martins e Gerson Gabiatti s.d.
O Paralelismo redundante ativo é quando todas as UPS são ligadas em paralelo, conforme figura 7:
Figura 7 - Nobreaks em paralelismo redundante ativo
Fonte: Alexandre Saccol Martins e Gerson Gabiatti s.d.
Conforme Alexandre Saccol Martins e Gerson Gabiatti s.d.
O uso de um ou mais Nobreaks em paralelo promove um aumento de confiabilidade do sistema, pois diminui as probabilidades de falha de energia elétrica na carga, além de permitir expansões futuras. A premissa básica deste aumento de confiabilidade é que pelo menos um equipamento (o reserva) possa ser desconectado do barramento e o(s) restante(s) possa(m) seguir alimentando a carga. Atendida esta premissa, se terá
gerado uma situação de sempre permitir a manutenção ou falha de equipamento sem prejuízo à carga.
As UPS estão com a alimentação principal e reserva ligados em paralelo e todas a saída ligadas em paralelo entre si. Todos os nobreaks são de mesma potência e a carga fica dividida igualmente entre os nobreaks. A redundância é dada pela falha de um, e os outros continuam alimentando a carga sem atingir sobrecarga, sair do modo inversor, conforme Alexandre Saccol Martins e Gerson Gabiatti s.d.
2.5 APLICAÇÃO DE NOBREAK MODULAR
Um Nobreak modular, ilustrado na finura 8, são vários módulos de baixa potência, onde se adquire um rack com gerenciador e chave estática com uma determinada potência que pode ser configurado com uma determinada quantidade de módulos, conforme site WEG (s.d.). Compra-se uma quantidade de módulos para suprir a carga inicial, podendo futuramente houver necessidade de ampliar a carga basta acrescentar novos módulos até que alcance a potência máxima do rack. Também possui a função redundante, onde se acrescenta um ou mais módulos redundantes para quando algum modulo apresentar defeito não transferir para alimentação reserva por sobrecarga, conforme site engetron (https://www.engetron.com.br/site/sala-de-imprensa/equipamentos-tem-aplicacao-e-modelos-variados - s.d.).
Os gabinetes modulares oferecem diversas montagens e possibilidades de crescimento, permitindo aos clientes que o crescimento do sistema acompanhe a evolução das cargas, bem como torna rápida e confiável o processo de manutenção, com troca de módulos e baterias hot swapp, (trocar os módulos e baterias sem desligar o equipamento), conforme site RTA (https://www.rta.com.br/produtos/nobreak-ups-modular/ - s.d.).
Figura 8 – Exemplo de UPS modular
Fonte: jsnardy.com.br
2.6 APLICAÇÃO DE NOBREAK COM TRANSFORMADOR ISOLADOR NA ENTRADA
Segundo a norma NBR 15014 (2003), em algumas aplicações é utilizado transformador isolador na entrada do nobreak, além de oferecer proteção por surtos na rede, como descargas atmosféricas, também criam proteção contra a ausência ou defeito de condução no cabo de neutro. Os transformadores utilizados nas UPS têm a configuração delta/estrela com derivação do neutro, garantindo sempre o neutro na alimentação da UPS.
Neste caso é possível utilizar um transformador isolador para gerar um neutro aterrado, assim obtêm-se as 3 fases, o neutro e o aterramento. Além disso, o transformador isolador tem maior eficiência na proteção da carga contra descargas atmosféricas e, por isso, é indicado para cargas críticas, como por exemplo, os equipamentos hospitalares, conforme site PHD online (http://www.phdonline.com.br/informacoes-importantes/diferencas-entre-nobreaks-com-transformador-isolador-e-com-autotransformador/ - s.d.).
2.7 CARGAS NÃO-LINEARES
Segundo MIRUS INTERNATIONAL INC. (2003), quando a impedância da carga muda com a tensão aplicada esta é considerada não-linear. Mudança de impedância significa que a corrente consumida pela carga não-linear não será sinusoidal mesmo quando estiver conectada a uma tensão sinusoidal. Estas correntes não-sinusoidais contêm harmônicas que
interagem com a impedância do sistema de distribuição de energia para criar distorção de tensão que pode afetar o equipamento do sistema de distribuição e as cargas conectadas a ele.
No passado, as cargas não lineares eram encontradas principalmente em aplicaçoes industriais, tais como fornos, inversores de frequencia (VFD), retificadores de grande porte para eletrônicos, etc. Os harnomicos que neles eram gerados eram tipicamente localizados e tratados por especialistas experientes.
Problemas com harmônicos são agora comuns em aplicações não só industriais, e em edifícios comerciais. Isso se deve principalmente à novas tecnologias de conversão de energia, como a fonte de alimentação comutada, que pode ser encontrada em praticamente todos os dispositivos eletrônicos (computadores, servidores, monitores, impressoras, fotocopiadoras, sistemas de telecomunicações, equipamentos de transmissão, máquinas bancárias, etc).
2.7.1 Fator de Crista
O fator de crista é a relação entre a corrente de pico e a corrente eficaz, calculado pela equação 1.
𝐹𝐶 =𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 𝐼𝑟𝑚𝑠 (1).
Nas cargas lineares em 60 Hz a relação do fator de crista é “√2” é igual à 1,414, que vem da formula 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝐼𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 × √2 , o mesmo não acontece nas cargas não lineares, tendo um aumento no fator de crista ultrapasando a este valor , podendo chegar a 3 vezes o valor da corrrente eficaz, em conformidade com PROCOBRE,2001.
Na figura 9 está ilustrado a forma de onda fundamental da corrente em uma carga linear, onde o fator de crista é √2, na finura 10 é demonstrado a forma de ondo de uma carga não linear com a influencia do fator de crista.
Figura 9 - Forma de onda da corrente na entrada de lâmpada incandescente
Fonte: Revista Controle & Automação/Vol.21 no.4/Julho e Agosto 2010.
Figura 10 - Forma de onda da corrente na entrada de um computador, caracterizando uma carga não linear, tendo sua forma de onda deformada, gerando um fator de crista maior do que
em uma carga linear.
Fonte: Revista Controle & Automação/Vol.21 no.4/Julho e Agosto 2010.
2.8 BATERIAS
As baterias são consideradas a parte mais fundamental de uma fonte ininterrupta de energia. Também são chamados de acumuladores de energia e possuem as mais variadas
estruturas. Conforme Timóteo (2011), bateria é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica, possuindo três partes: os eletrodos, os eletrólitos e o recipiente.
• Eléctrodos: condutores de corrente;
• Eletrólitos: solução que age sobre os eléctrodos; • Recipiente: guarda o eléctrodo e suporta o eletrólito;
Nesse estudo trabalharemos somente com as de chumbo-ácido, pois são as mais comercializadas devido ao seu valor econômico e a mais utilizada para UPS.
2.8.1 Baterias de Chumbo-Ácido
As baterias de chumbo-ácido são as mais utilizadas devido ao seu menor custo em relação com outras tecnologias de baterias, como as de níquel-cádmio seladas, as baterias de lítio e as de polímeros.
Segundo o site UNIVERSECHEMISTRY
(http://universechemistry.blogspot.com/2012/08/conhecendo-bateria-de-um-automovel.html - s.d. ), as baterias de chumbo-ácido são formadas de dois eletrodos: um de chumbo esponjoso e o outro de dióxido de chumbo em pó, ambos mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico com densidade aproximada de 1,28g/mL dentro de uma malha de liga chumbo-antimônio. A bateria entra em funcionamento quando ocorre a reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo, conforme o balanceamento químico apontado em sequência.
Reação na placa negativa Pb + HSO−4→ PbSO4 + H+ + 2e−
Reação na placa positiva
PbO2 + HSO−4 + 3H+ + 2e− → PbSO4 +2H2O
Reação total
De acordo com o site ENGINEERS EDGE, a soma das massas moleculares dos reagentes é de 642,6 g/mol, portanto teoricamente uma célula pode produzir dois dias de carga (192.971 coulombs) a partir de 642,6 g de reagentes, ou 83,4 amperes-hora por quilograma (ou 13,9 amperes por quilograma para uma bateria de 12 volts). Para uma célula de 2 volts, isso chega a 167 watts-hora por quilo de reagentes, mas uma célula de chumbo-ácido na prática dá apenas 30-40 watts-hora por quilo de bateria, devido à massa da água e outras partes constituintes.
Na visão de SOUZA (1999), existem dois grupos principais de acumuladores de chumbo-ácidos:
• Acumuladores de chumbo-ácido ventilados, cujos materias ativos são o chumbo e seus compostos e o eletrodo é uma solução aquosa livre de acido sulfurico, segundo o site rta;
• Acumuladores de chumbo-ácido regulados por válvulas (seladas). São baterias fechadas que apresentam eletrolidos imibilizados e dispõe de válvulas reguladoras para escape de gases, quando a pressão interna do acumulador exceder a um valor pre determinado, conforme o site rta .
As figuras 11 e 12 ilustram as baterias de chumbo-ácido ventiladas e seladas.
Figura 11 - Bateria de chumbo-ácido ventilada
Figura 12 – Bateria de Chumbo-ácido selada
Fonte: cablematic.pt
2.8.1.1 Baterias de chumbo-ácido estacionárias
São baterias que operam em locais fixos, podendo ser diferenciadas de acordo com sua aplicação, como para telecomunicações, sistemas fotovoltaicos e sistemas de corrente alternada ininterrupta.
Como afirma SOUZA (1999), para cada tipo aplicação, as baterias apresentam caracteristicas construtivas diferentes, tendo diferentes espessura de placas, volume e densidade do eletrólito. Na aplicação em sistema interruptos, as baterias são projetadas para sustentar o consumidor apenas durante uma falha do fornecimento de energia da concessionária em um determinado tempo, entre 15 à 60 minutos até a falha estar resolvida, ou até que entre o grupo gerador ou tempo para desligar os equipamento para que não danifique o mesmo ou a perda no processo produtivo.
Silva (2000), aborda que as baterias para aplicação em sistemas ininterruptos de energia apresentam placas com espessuras reduzidas apropriadas para suportar grandes picos de correntes e a densidade do eletrólito é de 1210 g/dm³ quando está totalmente carregada. Essas baterias normalmente estão em tensão de flutuação, só entram em modo de tensão carga quando à uma descarga da bateria, e só é descarregada quando à falta da energia da rede CA.
2.8.1.2 Baterias de chumbo-ácidos Tracionárias
São modelos de baterias utilizadas normalmente em máquinas de tração, como em empilhadeira, carros de golfe, locomotivas de minas, entre outras aplicações. Essas baterias possuem placas grossas a densidade do eletrólito varia entre 1210 a 1270 g/dm³ quando carregadas, permitindo uma autonomia entre 5 a 8 horas, trabalhando em regime de carga e descarga frequentes, conforme Souza (1999).
2.8.1.3 Baterias de chumbo-ácidos de Partida
São baterias que possuem placas extremamente fina entre 1 e 2,5mm, contruídas para correntes muito elevadas entre 300 a 3000 amperes, por um cuto tempo entre 1 a 10 segundos. Com carga plena apresenta densidade do eletrólito entre 1210 a 1250 g/dm³, segundo Silva (2000).
2.8.2 Vida útil média
Como as UPS estão essencialmente relacionados com as baterias, a vida útil das baterias é diretamente ligada com o bom funcionamento de uma UPS, de modo que esta tenha um bom controle no carregamento.
Segundo o site DATALINK (http://datalink.srv.br/artigos-tecnicos/porque-usar-baterias-vrla-em-no-break/ - s.d.), os principais fatores que influenciam na vida útil das baterias são:
• Temperatura de operação, Temperatura ambiente diferente de 25°C ou fora do especificado pelo fabricante;
• Regime de carga;
• Profundidade de descarga: descarga além da tensão de corte recomendada para o regime de descarga;
• Número ciclos de carga/descarga.
• Tensão de flutuação inadequada para a temperatura ambiente, gerando sobrecarga ou sulfatarão;
• Tensão de carga, quando a tensão de carga excede o tempo e o nível, pode ocorrer sobreaquecimento da bateria;
• Corrente de carga, quando excede os níveis máximos de corrente de carga sobreaquece a bateria;
• Ripple de tensão: valor de ripple maior que 5% da tensão de flutuação; • Ripple de corrente;
• Armazenar em estoque além do tempo especificado para a temperatura ambiente.
Os fatores de maior relevância são explanados nos subcapítulos seguintes.
2.8.2.1 Temperatura de Operação
As baterias são sensíveis a temperatura. O funcionamento das baterias é normalmente em 25°C, com o aumento da temperatura, haverá um aumento na velocidade nas reações químicas. A cada 10 °C aumentados a bateria terá o dobro de reações químicas, assim, perdendo boa parte de sua vida util.
Segundo Menezes (2013) os principais danos que a temperatura pode ocasionar em uma bateria, são:
• Aumento na corrente corrosão, podendo danificar as grades;
• Aumento da decomposição da água diminuindo o nível de eletrólito; • Redução do material ativo na grade devido ao desprendimento;
2.8.2.2 Regime de carga
As baterias que são carregadas com uma tensão de flutuação (tensão aplicada à bateria que evita sua auto descarga) acima das especificadas pelo fabricante tendem a sofrer sobre temperatura e, consequentemente, danos nas placas e no eletrólito, e quando são alimentadas com tensão de flutuação abaixo pode ocorrer a sulfatação da mesma, com isso reduzindo sua vida útil, segundo Menezes (2013).
Conforme Libert (s.d), baterias que estão armazenadas correm um grande risco, podendo sofrer um processo irreversível de sulfatação das placas, isso se chama de auto descarga formando pequenos grãos de sulfato, que com o tempo vão se acumulando, criando barreiras isolantes e diminuindo ou interrompendo o fluxo de corrente entre os polos, sendo de
extrema necessidade fazer ciclo de carga das baterias a cada 3 meses para não ocorrer a sulfatação.
2.8.2.3 Profundidade de descarga
Segundo Libert (s.d.), o tempo de vida da bateria também varia de acordo com o quanto ela é descarregada à cada ciclo. Descargas profundas são prejudiciais para baterias de Chumbo Ácido.
Como afirma Menezes (2013), quando as baterias fazem ciclos de descargas e permanecem após a tensão da bateria estar abaixo do valor final de descarga, estabelecido pelo fabricante, podem ocorrer redução de sua vida útil ou até mesmo à danos irreversíveis a baterias. Descargas regulares ultrapassando à 80% de sua capacidade sem recargas de equalização também podem resultar em danos nas células. A tensão de corte de uma bateria de chumbo ácido típica é de 1,75 volts por elemento, não fazendo descarga com tensão abaixo desta, as baterias não terão sua vida útil comprometida e nem a perda de sua garantia.
A tabela 2 relaciona a tensão de corte na descarga da bateria, com o tempo de autonomia com a corrente de descarga. Exemplo: para uma tensão de corte de 10,5 volts indicado na primeira coluna, e uma autonomia de 5 minutos teremos uma corrente de descarga de 18,01 amperes conforme indicado na segunda coluna.
Tabela 2 - exemplos de valores de descarga estabelecidos por um fabricante.
Fonte: datasheet bateria xb12al, Intelbras (s.d.).
2.8.2.4 Número de ciclo de carga e descarga
Segundo a NBR 15254, 2005, a duração da bateria, ou vida útil, ou tempo de vida é o tempo de vida em que a capacidade efetiva da bateria atinge 80% de sua capacidade nominal e que é influenciada de diferentes formas dependendo das condições em que são tratadas e em
uma série de fatores de design, como por exemplo, o estresse da bateria, a seleção dos materiais e os processos de fabricação. Geralmente, a duração da bateria é estabelecida pelo número de ciclos que é esperado para executar, conforme Luna Filho (2017).
As baterias VRLA-AGM (selada) possuem um número limitado de ciclos de carga que dependem da profundidade da descarga (depth of discharge, DOD), conforme apresentado no gráfico 1. Quanto mais profunda for a descarga, menor o número de ciclos possíveis, devido a características construtivas das placas.
Gráfico 1 - Ciclos de carga e descarga em função da profundidade de descarga.
Fonte: Menezes (2013)
2.8.3 Vantagens e desvantagens das baterias de chumbo-ácido
Como cita o site sta-eletronica (http://www.sta-eletronica.com.br/artigos/baterias- recarregaveis/baterias-de-chumbo/vantagens-e-limitacoes-das-baterias-seladas-de-chumbo-acido - s.d.), as principais vantagens das baterias de chumbo-ácido são:
• Tecnologia confiável e bem compreendida; • Auto descarga baixa;
• Pouco índice de manutenção;
• Capaz de taxas elevadas de descarga.
Segundo o site sta-eletronica, as principais desvantagens das baterias de chumbo-ácido são:
• Não pode ser armazenada em uma condição descarregada. A tensão da célula não deve cair abaixo de 2,1 Volts;
• Densidade baixa da energia;
• Permite somente um número limitado de ciclos de descarga. Bem adequada para aplicações de espera que requerem somente descargas profundas ocasionais; • Podem causar danos ambientais;
• Limitações do transporte. Existem interesses ambientais a respeito do derramamento no caso de um acidente;
• Fuga térmica pode ocorrer com carregamento impróprio. 2.8.4 Monitoramento
Os bancos de baterias são os elementos mais importante do sistema ininterrupto de energia, tendo a necessidade de supervisão periódica para manter a integridade do sistema, tendo um elemento com defeito podendo afetar todos os outros elementos ocorrendo um efeito cascata.
Como demonstra o site SE, existem vários equipamentos gerenciadores e analisadores de banco de baterias, estes fazem o monitoramento das baterias individualmente, apresentando as medidas, monitorando carga e descargas, agendando teste de descarga para verificação dos elementos individualmente e da autonomia do banco, ilustrado pela figura 13.
Existem alguns modelos que realizam medições de tensão, temperatura e impedância de cada elemento, com a função de equalização automática, medição do nível do eletrólito, limitações de corrente de carga, realizando atualização de status instantâneo das medições sobre cada bateria, mantendo a vida útil das baterias. No gerenciamento de banco de baterias existem diversas vantagens, como o monitoramento a distância, identificação do elemento defeituoso e trocá-lo antes que afete os demais, fornece relatórios customizáveis e
online das baterias, programação de limites e aviso de alarmes, tendo assim uma supervisão detalhada do comportamento do banco.
Figura 13 – Diagrama geral do sistema de monitoramento de baterias.
Fonte:researchgate.net
2.8.5 Descarte
O descarte inapropriado das baterias de chumbo-ácido é extremamente prejudicial ao meio ambiente e a saúde humana devido a toxidade, representando uma das maiores preocupações ambientais. Segundo o site STA-ELETRONICA (http://www.sta- eletronica.com.br/artigos/baterias-em-geral/meio-ambiente/como-descartar-baterias-de-chumbo - s.d.), a metodologia de reciclagem é simples e 70% do material da bateria de eletronica.com.br/artigos/baterias-em-geral/meio-ambiente/como-descartar-baterias-de- chumbo-ácido é reutilizável. Mais de 50% da oferta de chumbo vem de baterias recicladas. Em um descarte adequado, primeiramente não se deve misturar baterias junto com outros resíduos como vidro, metais, plásticos, papéis e lixo orgânico, reservando para as baterias um recipiente de descarte próprio, para que se possa dar sequência aos processos de reciclagem.
2.8.5.1 Reciclagem
O processo de reciclagem é simples e rentável, o chumbo é fácil de extrair e pode ser reutilizado várias vezes. Locais de vendas de baterias de chumbo-ácido são obrigados a receberem essas baterias velhas ou com defeito, tomando prevenção quanto ao seu manejo como no seu transporte para as empresas responsáveis pela sua reciclagem. (PRAC, 2011)
Para Battery Council International (2009), o procedimento de reciclagem dessas baterias na indústria se dá da seguinte forma:
• A solução presente na bateria (ácido sulfúrico + chumbo) vai para o tratamento;
• Após a neutralização do ácido e as devidas análises, é descartado ou transformado em sulfato de sódio, podendo ser utilizado na produção de vidro, sabão em pó e na indústria têxtil;
• As baterias são trituradas em moinhos martelos e esse material é lavado a um tanque, onde ocorre a separação entre o chumbo e o polímero;
• O polímero é fundido e transformado em bastonetes, após a sua passagem por uma extrusora, e são transformados em novas carcaças de bateria.;
• O chumbo é fundido juntamente com carvão vegetal e pedaços de ferro, que atuam na retirada das impurezas presente no chumbo, e posteriormente esse chumbo é transformado em novas grades;
• O sobrenadante é fundido novamente e utilizado na produção de novas grades de chumbo e outras peças.
3 ESPECIFICAÇÃO DO NOBREAK
Neste capítulo são apresentados e explicados os ensaios realizados para determinar as características de uma fonte ininterrupta de energia com uma breve explicação de como essas características implicam no funcionamento de uma UPS, conforme a norma IEC 62040-3 (1999), incluindo os ensaios de rendimento, fator de potência, distorção harmônicas, tensão de
ripple, corrente de ripple, regulação estática e dinâmica, carga não linear, tempo de
transferência da chave estática, teste de curto-circuito não permanente e incluindo ensaio de bancos de baterias e ruído acústico. É de suma importância que todos os ensaios sejam feitos com cargas lineares e repetidos utilizando cargas não lineares, em conformidade com a norma IEC 62040-3.
Como afirmado no subcapítulo de delimitação, será usado como referência o Nobreak de topologia online de médio e grande porte como demonstração dos ensaios e testes deste capítulo.
Na tabela 3 é apresentada a especificação do Nobreak trifásico entrada e saída, micro processado, com tecnologia de dupla conversão, estabilizada e saída senoidal, preparado para operar em paralelo ativo:
Tabela 3 – Tabela de características da UPS 120 KVA
