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Comparação técnica das Topologias de UPS On-line vs. Line-interactive

Aplicação técnica nº 79

Por Jeffrey Samstad Michael Hoff

2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obtenção de dados sem o consentimento por escrito do proprietário dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0

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Sumário Executivo Os sistemas UPS abaixo de 5000VA estão disponíveis em duas concepções básicas: line-

interactive ou dupla conversão on-line. Este documento descreve as vantagens

e desvantagens de cada topologia e aborda algumas noções erradas sobre os requisitos de

aplicação do mundo real.


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Introdução A maioria dos factores que contribuem para decidir quais as UPS a adquirir é óbvia e facilmente

compreensível: bateria, tempo de reserva, custo, dimensão, fabricante, número de tomadas, capacidade

de gestão, etc. Mas também há outros factores menos óbvios e que não são assim tão fáceis de

compreender. Um dos mais difíceis de compreender, contudo muito discutido, é a topologia. A topologia

(concepção interna) de uma UPS afecta a forma como ela funciona nos vários ambientes.

Seleccionar a topologia certa pode ser complicado se nos guiarmos pelas afirmações de que há topologias

que são superiores e absolutamente necessárias para aplicações cruciais. Como estas afirmações provêm

normalmente dos fabricantes que tentam vender o que é supostamente uma topologia “superior”, é difícil

tomar uma decisão informada apenas com base nessas afirmações. A finalidade deste documento é falar

objectivamente sobre as vantagens e desvantagens de duas das mais vulgares topologias:

line-interactive e dupla conversão on-line.

Nos extremos superior e inferior do espectro de alimentação gera-se uma pequena discussão quanto às

qualidades relativas destas duas topologias. 1 Acima de 5000VA, a line-interactive tem-se verificado pouco

prática devido à sua maior dimensão e custo superior. No extremo inferior, abaixo de 750VA, a dupla

conversão on-line é raramente considerada, porque outras topologias (incluindo line-interactive) são mais

práticas para cargas menores.

A discussão em redor de topologia de dupla conversão on-line vs. topologia line-interactive incide

normalmente na faixa de alimentação entre 750VA e 5000VA. É aqui que as vantagens funcionais e

económicas de uma topologia sobre a outra não são claras e dependem de determinados aspectos da

instalação. Embora a line-interactive se tenha tornado a topologia mais vulgarmente fabricada e instalada

nesta gama de alimentação, os avanços na tecnologia de semicondutores e nas técnicas de fabrico

fizeram descer o preço da dupla conversão on-line em relação à line-interactive, tornando a escolha entre

as duas mais difícil do que no passado. Seleccionar a melhor topologia nesta gama “sobreposta” exige

uma compreensão das principais qualidades associadas a cada topologia.

1 No máximo do extremo superior de alimentação — 200.000VA ou mais — existe uma discussão diferente, que se centra mais em torno das vantagens relativas da dupla conversão on-line vs. conversão delta on-line. Consulte a Nota de aplicação n º1 da APC “Os diferentes tipos de sistemas UPS” para comparar estas duas topologias on-line.


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Compreender a própria aplicação Antes de tomar qualquer decisão relativamente a uma topologia UPS é importante compreender os

requisitos do equipamento a ser protegido e o ambiente em que a UPS vai ser instalada. Conhecer estes

requisitos básicos é essencial para tomar uma decisão informada quando à topologia que melhor serve a

aplicação.

Equipamento de TI e alimentação CA: A Fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS)

Normalmente, a electricidade é distribuída como alimentação de corrente alterna (CA) a partir da corrente pública e de geradores de segurança. A tensão CA alterna entre positiva e negativa — idealmente como uma onda sinusoidal perfeita — passando duas vezes por ciclo pelo ponto zero. Apesar de não ser uma situação detectada pelo olho humano, uma lâmpada ligada à corrente pública pisca 100 ou 120 vezes por segundo (para 50 ou 60 ciclos CA) à medida que a tensão cruza o ponto zero para alterar a polaridade. Como é que o equipamento de TI utiliza a electricidade CA para alimentar os circuitos de processamento? Também é “desligado” 100 vezes ou mais por segundo à medida que a tensão da linha muda de polaridade? É evidente que existe aqui um problema que deve ser resolvido pelo equipamento de TI. A forma de resolver, na prática, o problema para todo o equipamento moderno de TI é através de uma Fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS).2 Uma SMPS começa por converter a tensão CA com todos os seus componentes não ideais (picos de tensão, distorção, variações de frequência, etc.) em CC uniforme (corrente directa). Este processo permite carregar um elemento de armazenamento de energia, denominado condensador, que se encontra entre a entrada de CA e a restante fonte de alimentação. Este condensador é carregado pela entrada de CA em impulsos que surgem duas vezes por ciclo de CA quando a onda sinusoidal atinge ou se encontra próximo dos seus picos (positivo e negativo) e descarrega com a frequência ditada pelas necessidades dos circuitos de processamento de TI a jusante. O condensador foi concebido para absorver de forma contínua estes impulsos CA normais bem como picos de tensão anómalos ao longo de toda a sua vida útil. Assim sendo, e ao contrário das lâmpadas a piscar, o equipamento de TI funciona com base num fluxo contínuo de tensão CC em vez dos impulsos de tensão CA da instalação pública. Mas esta história não termina por aqui. Os circuitos micro electrónicos requerem voltagens CC bastante baixas (3,3V, 5V, 12V, etc.), mas a tensão do condensador que acabámos de mencionar pode atingir valores da ordem dos 400V. A SMPS converte igualmente esta elevada tensão CC em saídas de CC niveladas e de baixa tensão.

2 “modo de comutação” refere-se a uma funcionalidade do circuito interno da fonte de alimentação que não se encontra

relacionada com esta análise


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Através desta redução da tensão, a SMPS efectua uma outra função importante: fornece isolamento galvânico. O isolamento galvânico é uma separação física no circuito, que serve dois objectivos. O primeiro objectivo é a segurança — a protecção contra choques eléctricos. O segundo objectivo é a protecção contra avarias ou danos no equipamento devido a tensão de modo comum (baseada em ligação terra) ou ruído. Pode encontrar informações acerca de ligações terra e tensão de modo comum nas Aplicações técnicas nº 9, “Common Mode Susceptibility of Computers” e nº 21, “Neutral Wire Facts and Mythology” da APC.

A Figura 1 mostra uma peça de equipamento de TI (um servidor neste exemplo) que está protegido por

uma UPS. Também são apresentados os componentes internos do servidor, incluindo a SMPS.

Figura 1 – Aplicação UPS típica: UPS e servidor

Da mesma forma que a SMPS “ignora” os intervalos entre picos da onda sinusoidal da entrada CA, acaba

por ignorar igualmente outras anomalias e interrupções breves da alimentação CA. Esta é uma

funcionalidade importante para os fabricantes de equipamento de TI uma vez que estes pretendem que o

seu equipamento continue a funcionar mesmo nos casos em que não se encontra presente uma UPS.

Nenhum fabricante de equipamento de TI deseja colocar em causa a sua reputação em termos de

qualidade e desempenho devido a uma fonte de alimentação que não consiga suportar a mínima anomalia

da linha CA. Este facto torna-se particularmente verdadeiro para equipamento informático e de rede de

gama alta, que é naturalmente fabricado com fontes de alimentação de maior qualidade.

Servidor

Correntepública

ou

gerador

ServidorUPS Disco rígido

Motherboard

Outroselementos

electrónicos

CA CA

CC

CC

CC


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Para demonstrar esta capacidade de sobrevivência a anomalias aplicou-se uma carga pesada sobre a

fonte de alimentação de um computador normal e, em seguida, retirou-se a entrada CA. A saída da fonte

de alimentação foi monitorizada para determinar até que ponto a tensão de saída disponível continuava a

ser fornecida após a perda da entrada CA. Os resultados são apresentados na Figura 2. As ondas

apresentadas referem-se à tensão de entrada, tensão de entrada e tensão de saída CC da fonte de

alimentação.

Figura 2 – Auto-suficiência de fonte de alimentação

Depois de CA desaparecer, vai abaixo uma saída de fonte de alimentação de computador muito carregada, mas só após um considerável espaço de tempo.

Antes de ser retirada, a tensão de entrada é a onda sinusoidal à esquerda na Figura 2. A tensão de

entrada – a linha irregular por baixo da curva de tensão mais estável – consiste num pequeno impulso no

pico positivo da tensão de entrada e noutro pequeno impulso no pico negativo. O condensador da SMPS

apenas é carregado durante estes impulsos de tensão. Durante o resto do tempo, a alimentação é

recebida do condensador, para fornecer alimentação aos circuitos de processamento.3 A tensão CC na

saída da SMPS é a linha na Figura 2. Repare que a tensão de saída se mantém bastante estabilizada

durante 18 milissegundos depois de a entrada de CA ser retirada. A APC testou uma grande diversidade

de fontes de alimentação de vários fabricantes de computadores e outro equipamento de TI e obteve

resultados semelhantes. Se as fontes de alimentação apresentarem uma carga leve, o tempo de

auto-suficiência é maior uma vez que o condensador é descarregado mais lentamente.

3 Algumas SMPS efectuam correcção de factor de alimentação (PFC) – discutido mais à frente – e recebem corrente de

entrada sob a forma de onda sinusoidal. Elas também possuem um condensador de alta voltagem que efectua a mesma função de auto-sobrevivência.

Traço superior: Saída CC de baixa tensão da fonte de alimentação Traços centrais: Tensão e corrente de entrada

Tensão deentrada

Tensão deentrada

18 ms

Saída de CC vai abaixo

Entrada de CA interrompida


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Padrões internacionais para compatibilidade de UPS com cargas SMPS

Já vimos que uma SMPS tem de atravessar pequenos distúrbios de alimentação para ser capaz de captar

alimentação da tensão de entrada de CA sinusoidal. Mas o que é que se entende por “pequenos”?

A Figura 3 mostra as especificações da IEC 62040-3, uma norma internacional. Define os limites de

magnitude e duração dos distúrbios de tensão de saída da UPS que são aceitáveis para uma carga SMPS.

Como se pode ver pela “zona de conforto” sombreada, quanto menor a magnitude da perturbação, mais

ela pode estar presente na saída da UPS. Repare que esta norma permite uma presença contínua de um

espectro consideravelmente alargado de variações de tensão – nominal +10 % a –20 %. Por outras

palavras, a tensão de saída da UPS pode variar dentro do espectro, ao longo de tempo indefinido, sem

afectar o funcionamento SMPS; isto deve-se ao facto de normas semelhantes para SMPS requererem

auto-suficiência face a uma série de anomalias de entrada, ainda mais extensas do que o espectro

permitido para a saída da UPS.4

Figura 3 – A partir da norma IEC 62040-3: Magnitude e duração de anomalias de tensão CA aceitáveis para compatibilidade com cargas SMPS

Distúrbios de tensão (“transientes”) cuja magnitude e duração se encontram na “zona de conforto" verde podem estar presentes na saída da UPS

ligada ao equipamento SMPS; os outros não podem.

4 As outras normas SMPS afins, que definem o espectro de anomalias que uma SMPS tem de comportar são a “curva

ITI/CBEMA” e a IEC 61000-4-11.

"Zona de conforto"Todos os transientes commagnitudes e duração detempo dentro desta faixapodem ser compatíveiscom as fontes dealimentação

Voltagem delinha dupla

Voltagem delinha nominal

Voltagemnula

Duração de transiente (ms)

Variação devoltagem (%)

Zona transiente de sobrevoltagem

Zona transiente de subvoltagem


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Com base na Figura 3, os requisitos de compatibilidade para uma UPS com saída nominal de 120V CA

são os seguintes:

• Para durações até 1 milissegundo, a tensão de saída da UPS pode chegar a atingir 240V.

• Para durações até 10 milissegundos, a tensão de saída da UPS pode ser nula!

• Para durações até 100 milissegundos podem ocorrer oscilações menos intensas (para cima ou para baixo) – a duração permitida depende da intensidade do distúrbio.

• Para durações superiores a 100 milissegundos (inclui funcionamento contínuo), a tensão de saída da UPS deve permanecer entre 96V e 132V.

Na maior parte das regiões mundiais, à excepção de

alguns países de mercados emergentes, a energia é

relativamente estável. Num dia normal podem verificar-

se voltagens que variam, no máximo, 5 % acima ou

abaixo da nominal – bem dentro das variações de

tensão apresentadas na Figura 3. Como uma SMPS

pode receber alimentação de uma fonte CA com estas

características, a irregularidade por ela fornecida está

dentro de parâmetros que permitem uma interligação

fiável com uma tensão típica de corrente pública.

Em suma, as SMPS possuem as seguintes vantagens:

• Podem aceitar grandes variações de tensão de entrada e frequência, sem prejudicarem o seu desempenho.

• Possuem um isolamento galvânico incorporado entre a entrada CA e as saídas CC, eliminando a necessidade de isolamento de modo comum a montante (neutro-terra).

• Conseguem absorver uma quantidade razoável de distorção de tensão de entrada sem que isso prejudique o tempo de vida ou a fiabilidade.

• Possuem um tempo de “auto-suficiência” incorporado para tolerar breves interrupções de alimentação.

Mito vs. Realidade

MITO: O equipamento crucial necessita de um tempo de transferência zero por parte da UPS –por exemplo, para impedir bloqueio e/ou perda de carga em comutadores de rede. REALIDADE: As SMPS são as fontes de alimentação que se encontram praticamente em todo o equipamento crucial. Têm de ter um tempo de “auto-suficiência” de 10 ou mais milissegundos para obedecer às normas internacionais (ver Figura 3). Qualquer equipamento electrónico que não possa manter um tempo de auto-suficiência é geralmente considerado de concepção inferior ou extremamente raro – mais provavelmente uma aplicação especializada (ou seja, nem computador nem equipamento de TI).


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Compreender as opções da UPS A Aplicação técnica n º1 da APC “Os diferentes tipos de sistemas UPS” descreve as seguintes cinco

principais topologias UPS usadas actualmente, juntamente com as suas características de desempenho:

• Standby

• Line Interactive

• Standby-Ferro

• Dupla conversão on-line

• Conversão Delta on-line

Na gama de alimentação de 750VA a 5000VA, praticamente todas as UPS vendidas actualmente para

aplicações de TI são line-interactive ou de dupla conversão on-line. Há outras topologias menos comuns

dentro desta gama, mas a análise dos motivos que as tornam menos requisitadas ultrapassa o âmbito

deste documento.

UPS Line Interactive Uma UPS line-interactive condiciona e regula a alimentação CA da corrente pública, geralmente através

de um único conversor de alimentação principal. A Figura 4 apresenta a descrição padrão desta topologia

segundo a norma IEC 62040-3.

Figura 4 – Topologia UPS line-interactive, do diagrama de blocos da IEC 62040-3 apresenta uma interface de alimentação e um bloco de conversão principal

IEC 488/9962040-3© IEC:1999

Entrada de CA Interface dealimentação

Modo normal

Modo de energia armazenada

Inversor

Saída de CA

Bateria


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Quando existe entrada CA, o bloco de “interface de alimentação” na Figura 4 filtra a alimentação CA,

suprime picos de tensão e fornece estabilidade de tensão suficiente para funcionar bem dentro das

especificações anteriormente descritas. Isto é muitas vezes conseguido através de componentes de filtro

passivo e um transformador de alternância de tomadas. O conversor de alimentação principal (o bloco

“inversor”) redirecciona alguma da alimentação CA para manter as baterias completamente carregadas,

enquanto existe tensão de linha CA. Isto normalmente requer menos de 10 % de taxa de alimentação da

UPS, para que os componentes se mantenham refrigerados neste modo de funcionamento. Por exemplo,

o bloco inversor numa UPS line-interactive de 3000 watts funciona apenas com 300 watts (um décimo da

sua capacidade) ou até menos quando recarrega baterias. Muitos componentes dimensionados para

funcionamento a toda a carga, podem trabalhar um pouco acima da temperatura ambiente exterior quando

se está perante CA – o modo de funcionamento mais comum. Embora a tensão de linha CA caia fora da

gama de entrada da interface de alimentação, o inversor fornece saída CA com alimentação da bateria.

O espectro de tensão de entrada da interface de alimentação é normalmente um intervalo fixo, geralmente

–30 % a +15 % de nominal. Por exemplo, uma UPS line-interactive com tensão de saída nominal 120V

mantém uma saída entre 107V e 127V, enquanto a entrada varia entre 84V e 138V.

Um pequeno e relevante pormenor relativamente ao funcionamento de uma UPS line-interactive é que

embora ela filtre e condicione a tensão fornecida à carga, não altera a forma ondular da corrente recebida

pela carga. Como tal, se a carga tiver uma SMPS com correcção de factor de alimentação (PFC),5 a UPS

line-interactive não irá distorcer ou interferir com a correcção do factor de alimentação. Se a SMPS de

carga não tiver correcção de factor de alimentação e receber a corrente em picos (como se pode ver na

Figura 2), a UPS line-interactive também não vai alterar ou “corrigir” esta forma ondular.

Teoricamente, o pequeno número de componentes e a operação de refrigeração do conversor de

alimentação principal (o bloco “inversor” na Figura 4) contribui para um tempo de vida alargado e elevada

fiabilidade. Na prática, contudo, a fiabilidade é normalmente determinada por outros factores, conforme

descrito na secção mais abaixo Considerações sobre fiabilidade.

Devido ao seu baixo custo e durabilidade, a UPS line-interactive tem sido utilizada com êxito em milhões

de instalações de TI pelo mundo inteiro.

Aspectos a ter em conta (Line-interactive):

Nos países em desenvolvimento ou noutras zonas com problemas infra-estruturais, em que a tensão de

linha CA é instável, flutua bastante, ou tem elevada distorção, uma UPS line-interactive pode transferir

para bateria uma a duas vezes por dia, ou até com mais frequência. Isto porque a concepção

line-interactive tem uma capacidade algo limitada de impedir que grandes oscilações de tensão e forte

distorção atinjam a carga, a menos que se desliguem da fonte CA e passem para alimentação de bateria.

Embora a UPS line-interactive possa fornecer uma tensão de saída dentro dos limites IEC (Figura 3)

enquanto houver alimentação de bateria, a utilização frequente da bateria reduz a sua capacidade,

fazendo com que haja menos tempo de actividade disponível no caso de um grande corte energético. Além

5 Um dispositivo com uma correcção de factor de alimentação (PFC) recebe corrente de uma entrada CA sob a forma de

onda sinusoidal regular e não sob a forma de impulsos. Consulte a Figura 2 para ver uma ilustração de saída não PFC.


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disso, mesmo que as baterias não estivessem completamente descarregadas, a utilização frequente

poderia redundar na necessidade de as substituir mais regularmente.

Vantagens da topologia line-interactive.

• Menor consumo de electricidade (menos dispendiosa no funcionamento) – Mais eficiente, porque há menor conversão de alimentação quando existe uma entrada aceitável de CA.

• Teoricamente com maior fiabilidade – Menor contagem de componentes e temperaturas de funcionamento mais baixas. (Ver secção mais abaixo Considerações sobre fiabilidade.)

• Menor carga de calor na instalação – É produzido menos calor pela UPS.

Factores desvantajosos:

A UPS line-interactive pode não ser a escolha mais acertada

para instalações em que

• a alimentação CA é instável e altamente distorcida, porque a alimentação de bateria é utilizada em excesso para manter a saída de UPS dentro das especificações.

• é necessária Correcção de factor de alimentação (PFC) e o equipamento de carga não desempenha esta função.

UPS de dupla conversão on-line

Como o nome indica, a UPS de dupla conversão on-line converte alimentação duas vezes. Em primeiro

lugar, a entrada CA, com respectivos picos de tensão, distorção e anomalias várias, é convertida em CC.

Isto é muito semelhante ao funcionamento da SMPS relativamente ao equipamento TI, como já foi descrito

anteriormente. E, tal como na SMPS, a UPS de dupla conversão on-line utiliza um condensador para

estabilizar a tensão CC e armazenar energia recebida da entrada CA. Em segundo lugar, CC é convertida

de novo em CA, que é estreitamente regulada pela UPS. Esta saída de CA pode inclusive possuir uma

diferença de frequência em relação à entrada de CA – algo de impossível no caso de UPS line-interactive.

Toda a alimentação fornecida ao equipamento de carga passa por este processo de conversão dupla,

quando existe entrada de CA.

Quando a entrada de CA sai fora de um determinado espectro, a UPS recebe alimentação da bateria, para

que a saída da UPS não seja afectada. Em muitas concepções de dupla conversão on-line, esta transição

dentro da UPS entre entrada CA e bateria, leva vários milissegundos. Mais uma vez, é o condensador na

“ligação CC” (ver Figura 5) que fornece energia armazenada ao inversor durante estas transições.

Portanto, mesmo que haja uma breve interrupção de alimentação na “ligação CC”, a tensão de saída da

UPS não é afectada e mantém-se contínua.

Mito vs. Realidade

MITO: As UPS line-interactive não condicionam a alimentação – o ruído e os picos passam e desgastam as fontes de alimentação. REALIDADE: As unidades line-interactive de alta qualidade têm forte protecção incorporada contra picos de tensão e ruído, para manter a saída dentro de níveis aceitáveis, de modo a que a fiabilidade da carga não seja afectada.


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Nas concepções mais modernas acrescenta-se quase sempre um circuito suplementar de carregamento

de bateria à topologia, para que a UPS de dupla conversão on-line tenha pelo menos três fases de

conversão de alimentação. A Figura 5 mostra esta topologia com base na norma IEC 62040-3.

Figura 5 – Topologia UPS de dupla conversão on-line, do diagrama de blocos da IEC 62040-3 que apresenta quatro blocos de conversão

Para além de efectuar a conversão de CA para CC, a secção rectificadora também fornece correcção de

factor de alimentação (PFC), o que significa que recebe corrente de uma linha CA sob a forma de onda

sinusoidal regular e não sob a forma de impulsos (consultar Figura 2 para ver ilustração de corrente de

entrada não PFC). Como a PFC “corrige” a forma de onda da corrente de entrada, menos corrente é

recebida – incluindo reduções em oscilações de elevada frequência. Isto acontece mesmo quando o

equipamento de TI alimentado pela UPS recebe corrente sob a forma de impulsos (não PFC). Consulte a

Aplicação técnica n º26 da APC “Hazards of Harmonics and Neutral Overloads”, para saber mais sobre a

correcção de factor de alimentação e as oscilações neutras.

Quando se funciona com carga total, o espectro de tensão de entrada CA aceitável da dupla conversão on-

line é semelhante ao da line-interactive. No entanto, ao contrário da line-interactive, a dupla conversão on-

line consegue funcionar com menor tensão de entrada, caso a UPS não esteja completamente carregada.

Numa UPS de dupla conversão 120V típica, isto significa que pode ser capaz de funcionar a partir de

alimentação CA a cargas muito pequenas, mesmo quando a tensão de entrada é tão baixa quanto 50 % da

nominal (60V). Embora isto seja um atributo interessante da topologia on-line, é raramente útil (a não ser

para demonstração), porque são extremamente raros extensos distúrbios desta magnitude, porque as

condições de carga, na prática, são variáveis.

Uma UPS on-line é normalmente mais pequena do que uma UPS line-interactive, seja qual for a

capacidade de alimentação. Embora possuam mais componentes (por norma três vezes mais), costumam

ser mais pequenas. Isto é especialmente verdade para unidades de maior alimentação, acima de 2200VA,

e é sempre verdade na comparação com uma UPS line-interactive de prolongamento de tempo de

actividade.

IEC 487/9962040-3© IEC:1999

Entrada de CA

Entrada de CA

Entrada de CA

Bypass (principal ou de reserva)

Comutadorde bypass

Saída de CA

InversorLigação CC

Bateriapara

conversor CC

Rectificador

Carregador debateria

(opcional)

Bateria

Modo normal

Modo de energia armazenada

Modo bypass


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A topologia on-line inclui geralmente um circuito de bypass utilizado no caso de extensa sobrecarga ou

quando há um problema num dos circuitos de dupla conversão. As transições entre funcionamento bypass

e inversor fazem baixar frequentemente a saída durante alguns milissegundos, o que se assemelha a uma

UPS line-interactive a transferir para bateria. Consequentemente, várias unidades on-line dependem da

SMPS para auto-sobrevivência durante estes distúrbios para a saída da UPS. Tal como no caso das

unidades line-interactive, isto não representa um problema desde que a interrupção na saída da UPS

esteja dentro das especificações apresentadas na Figura 3.

Aspectos a ter em conta (Dupla conversão on-line) As fases de conversão de alimentação on-line, que

decorrem continuamente para fornecer uma tensão de

saída estritamente regulada pela qual são conhecidas,

pode transportar cargas até ao máximo de taxa de

alimentação. Há, todavia, custos associados a este

desempenho melhorado.

Devido às várias fases de alimentação, uma típica UPS

de dupla conversão on-line terá muito mais

componentes do que uma típica UPS line-interactive.

Como estes componentes estão a processar

continuamente toda a alimentação recebida pelo

equipamento de carga, as suas temperaturas são

normalmente superiores às dos componentes numa

UPS line-interactive, quando existe entrada CA. Teoricamente, tanto o funcionamento permanente como as

temperaturas elevadas reduzem a fiabilidade dos componentes da UPS. Na prática, contudo, a fiabilidade

é normalmente determinada por outros factores, conforme descrito na secção abaixo Considerações sobre fiabilidade.

Outro factor a considerar é a energia suplementar necessária para pôr a funcionar uma UPS de dupla

conversão on-line ao longo do tempo. Uma UPS de dupla conversão on-line funciona continuamente com

uma eficiência de 85 % a 92 %, dependendo da concepção em questão, comparativamente aos 96 % a

98 % de uma UPS line-interactive. Por exemplo, uma UPS 1000W com 90 % de eficiência consome

continuamente, quando completamente carregada, 100W de alimentação. Isto traduz-se em cerca de

100 dólares por ano em gastos adicionais de corrente pública (em média). Para além dos gastos de

electricidade pública, estes 100W de calor têm de ser removidos do meio circundante, o que implica

gastos suplementares de refrigeração, que variam consoante a eficiência do sistema de refrigeração

utilizado. Isto pode não parecer muito, mas quando se somam as despesas de todas as UPS de uma

empresa, ou até mesmo o consumo de energia total durante o tempo de vida de uma única UPS,

verifica-se que é um factor que pesa no custo total de exploração das UPS. Comparativamente, uma UPS

line-interactive com carga semelhante implica menos de um terço desses custos energéticos por

alimentação de carga.

Mito vs. Realidade

MITO: As UPS on-line proporcionam melhor protecção contra ruído de Modo comum (CM). REALIDADE: Apesar de ser possível conceber topologias on-line e line-interactive com isolamento galvânico, ambas usam normalmente componentes passivos para reduzir a tensão CM. Nem a topologia on-line nem a line-interactive oferecem uma nítida vantagem a este respeito. As SMPS já têm isolamento galvânico, por isso não é necessário isolamento externo. Para mais informações consulte as Aplicações técnicas nº 9 e 21 da APC.


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Vantagens da dupla conversão on-line:

• Funciona menos frequentemente com bateria quando a tensão de entrada é altamente distorcida ou bastante flutuante.

• Fornecimento de correcção de factor de alimentação (PFC), independentemente do tipo de carga

• Mais compacta e leve, especialmente no caso de elevados níveis de alimentação

• Consegue regular frequência de saída e até efectuar “conversão” de frequência de 50Hz para 60Hz (e vice-versa)

Pode argumentar-se que a tensão de saída CA

estritamente regulada é uma vantagem da topologia on-

line. Contudo, uma SMPS não precisa de CA estritamente

regulada devido à regulação de tensão proporcionada pela

própria SMPS, como já foi dito anteriormente. Factores desvantajosos:

• A dupla conversão on-line contém mais componentes que funcionam continuamente a altas temperaturas e, sendo tudo o resto igual, têm menos tempo de vida de funcionamento do que peças semelhantes encontradas na line-interactive.

• A dupla conversão on-line utiliza mais electricidade do que a line-interactive, porque está continuamente a converter e reconverter alimentação da entrada para a saída, quando existe entrada de CA.

• A dupla conversão on-line gera mais calor, que é libertado para o ambiente de TI. Esse calor tem de ser eficazmente removido para reduzir os efeitos danificadores para os outros sistemas e até para as próprias baterias da UPS.

Considerações sobre fiabilidade

Em ambas as topologias há certos aspectos das concepções que teoricamente aumentam ou diminuem o

tempo de vida operacional e a fiabilidade. Para a line-interactive, o pequeno número de componentes e

operação de refrigeração da fase de alimentação principal têm tendência para aumentar o tempo de vida

operacional e a fiabilidade. No caso da dupla conversão on-line, tanto o funcionamento constante como as

temperaturas mais elevadas de funcionamento têm ambos tendência para diminuir o tempo de vida

operacional e a fiabilidade. Na prática, contudo, a fiabilidade é geralmente determinada pelo grau de qualidade com que o fabricante

concebe e constrói uma UPS e pela qualidade dos componentes utilizados, independentemente da topologia.

Como a qualidade depende do fornecedor, podem haver concepções de dupla conversão on-line de alta

qualidade e concepções line-interactive de baixa qualidade, e vice-versa.

Mito vs. Realidade

MITO: Regulação de tensão mais estrita melhora o desempenho e a fiabilidade do equipamento de TI. REALIDADE: Todas as SMPS convertem tensão de entrada CA (com respectivos picos e distorção) em CC estável. Esta CC é depois usada para criar saída limpa e bem regulada de CC para todas as cargas de TI. As condições de linha de entrada, dentro dos seus limites estimados, NÃO afectam a qualidade das saídas das SMPS ou o desempenho do equipamento de TI. Caso contrário, para que é que uma SMPS haveria de ter esses limites impressos no chassis?

Sumário comparativo A tabela seguinte resume as importantes vantagens e desvantagens das topologias UPS line-interactive e

de dupla conversão on-line.

Tabela 1 – Comparação das topologias line-interactive e de dupla conversão on-line

TOPOLOGIA Fiabilidade Custo total de

exploração Entrada Saída Dimensão /

peso

Line Interactive

+

Menos peças

Menor temperatura de funcionamento

+

Menores custos iniciais (menos

peças)

Menores gastos operacionais (menos

electricidade)

–

Não PFC

Extrema distorção de tensão pode

requerer uso frequente de

bateria

+ / –

Frequência de saída

varia dentro de limites

configuráveis

–

Normalmente maior/mais pesada

Dupla conversão on-line

–

Muitas peças

Maior temperatura de funcionamento

–

Maiores custos iniciais (mais peças)

Maiores gastos

operacionais (electricidade e

refrigeração)

+

Tem PFC

Suporta extrema distorção de tensão sem

recorrer a bateria

+

Saída fixada a uma

frequência configurável

+

Normalmente mais pequena/mais leve especialmente em

níveis de alimentação superiores

Conclusões Na gama de alimentação entre 750VA e 5000VA, ambos os tipos de UPS protegem devidamente o equipamento de TI dos distúrbios de alimentação, por isso a topologia a adoptar é essencialmente baseada nas especificidades da aplicação do cliente. Como o custo inicial, os gastos operacionais, a produção de calor e a fiabilidade são aspectos prioritários para qualquer aplicação, talvez parecesse mais lógico à partida escolher a line-interactive. A line-interactive tem-se revelado, de facto, como a fiel e eficiente servidora dos típicos ambientes de TI. Sob certas circunstâncias, contudo, a dupla conversão on-line pode constituir melhor opção. Particularmente, em zonas geográficas em que a alimentação CA regista elevada distorção e / ou extremas variações de tensão, uma UPS de dupla conversão on-line passa a bateria com menos frequência para manter uma saída adequada. A reduzida utilização de bateria garante maior capacidade de bateria para fazer face a grandes cortes energéticos e permite a salvaguarda de tempo de vida operacional da mesma. Além disso, a redução dos custos de substituição de bateria podem compensar a aparente vantagem dos menores custos iniciais e operacionais de uma UPS line-interactive. Outros casos menos comuns que podem requerer uma UPS de dupla conversão on-line podem ser, por exemplo, os que exijam correcção de factor de alimentação (PFC), pequenas dimensões físicas ou então conversão de frequência, tal como acontece com alguns tipos de equipamento médico ou instrumentação.


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Acerca dos autores: Jeffrey Samstad é Engenheiro-chefe da linha de produtos Smart-UPS RT da American Power Conversion.

Possui bacharelato em Engenharia electrotécnica e 14 anos de experiência à frente das equipas de

concepção de UPS e a trabalhar com várias arquitecturas UPS.

Michael Hoff possui mestrado em Engenharia electrotécnica, Sistemas de alimentação, pela Northeastern

University e dirige um grupo de Pesquisa de novas tecnologias da American Power Conversion. Ao longo

dos 16 anos de carreira na APC desenvolveu fontes de alimentação ininterrupta (UPS) e arquitecturas

UPS, gerindo igualmente projectos de desenvolvimento de produto, equipas e grupos nos EUA e no

estrangeiro.

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