No Break (Ups)
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Sistemas de Energia Ininterrupta:Sistemas de Energia Ininterrupta:
No-No-BreaksBreaks
ProfProf. . DrDr. Pedro Francisco Donoso Garcia. Pedro Francisco Donoso GarciaProfProf. . DrDr. . Porfrio Cabaleiro CortizoPorfrio Cabaleiro Cortizo
GEP-DELT-EEUFMGGEP-DELT-EEUFMG
www.cpdee.ufmg.br/~elt
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Porque a necessidade dePorque a necessidade deequipamentos de energia adicionaisequipamentos de energia adicionaispara alimentar uma carga crtica?para alimentar uma carga crtica?
SEI - Sistema de Energia Ininterrupta ouSEI - Sistema de Energia Ininterrupta ou UPS - UPS - UninterruptibleUninterruptible Power Supply Power Supply ou ou No- No-BreakBreak
Estabilizador de tensoEstabilizador de tenso
-
Porque utilizar um sistema NO-Break e no umestabilizador de tenso?
AhhhAhhh!!!!Perdi todo o trabalho Perdi todo o trabalho do dia!!! do dia!!! AhhhAhhh!!!!
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Principais caractersticas:Principais caractersticas:
EESSTTAABBIILLIIZZAADDOORR NNOO--BBRREEAAKKRReegguullaaoo PPoorr ttaappeess oouu
FFeerrrroo--rreessssoonnaanntteeCCoonnttiinnuuaa
TTeemmppoo ddeerreessppoossttaa
EElleevvaaddoo BBaaiixxoo
AAuuttoonnoommiiaa ZZeerroo DDee aallgguunnssmmiinnuuttooss aa hhoorraass
FFiillttrroo ddee lliinnhhaa IInncclluuddoo IInncclluuddooCCuussttoo BBaaiixxoo MMddiioo
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Tipos de Sistemas de Energia Ininterrupta - SEI
SEI RotativoSEI RotativoConverso de energia mecnica em eltrica;Converso de energia mecnica em eltrica;
Apropriado para potncias de operao maior queApropriado para potncias de operao maior que
300kVA;300kVA;
Ruidosos; Ruidosos;
Ambientes especiaisAmbientes especiais
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SEI EstticoSEI Esttico Utiliza conversores estticos. Utiliza conversores estticos. Converte energia eltrica com caractersticas Converte energia eltrica com caractersticaspredefinidas em uma outra;predefinidas em uma outra;
Apropriada para potncias menores que 400kVA Apropriada para potncias menores que 400kVA Melhor resposta dinmica, Melhor resposta dinmica, Baixssimo rudo acstico, Baixssimo rudo acstico,Melhor regulao de tenso e de freqncia na carga,Melhor regulao de tenso e de freqncia na carga, Instalaes simples,Instalaes simples, Interao com a rede eltrica.Interao com a rede eltrica.
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Banco de Banco de BateriasBaterias
Cargas crticasCargas crticas(lineares e (lineares e
no lineares)no lineares)
ConversorConversorRetificadorRetificador/Inversor, /Inversor,
FiltrosFiltros
Diagrama de Bloco de um SEIDiagrama de Bloco de um SEI
Fonte de Fonte de AlimentaoAlimentao
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Tipos de SEI:Tipos de SEI:
OffOff--line line ((standbystandby))
OnOn--line line (sistema de dupla converso)(sistema de dupla converso)
LineLine--interactive interactive (sistema de converso(sistema de conversohbrida simples)hbrida simples)
-
Topologia de SEI off-line (standby)Topologia de SEI Topologia de SEI offoff--line line ((standbystandby))
FiltrosFiltrosInversorInversorCarregadorCarregador
de de BateriasBaterias
Ca
rga
Ca
rga
-
Topologia de SEI off-line (standby)Topologia de SEI Topologia de SEI offoff--line line ((standbystandby))
VantagensVantagens:
! Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado;! Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;! Sincronismo, tanto na falta como no retorno da rede eltrica.
Desvantagens:Desvantagens:
" Falta de condicionamento da tenso da carga: falta regulaoda tenso de alimentao, assim como a supresso de distrbios;
" Falta de condicionamento de corrente: poder haver injeo deharmnicos de corrente na rede eltrica para cargas no lineares;
" Existncia de tempo de transferncia;" Forma de onda de sada poder ser quadrada (short-break)
-
Topologia de SEI on-lineTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline
FiltrosFiltrosInversorInversorCarregadorCarregador
de de BateriasBaterias
Ca
rga
Ca
rga
-
Topologia de SEI on-lineTopologia de SEI Topologia de SEI onon--linelineVantagensVantagens::
! A carga est continuamente alimentada pelo inversor,portanto, no existe tempo de transferncia;
! A tenso de sada do SEI pode ser regulada e possuirbaixa TDH (5%);! Distrbios da rede eltrica comercial no atingem acarga;
Desvantagens:
" Baixo rendimento, em funo do retificador e doinversor, que necessitam ser dimensionados para apotncia nominal;
" Elevados custo e volume, em funo do tamanho doretificador;
" O retificador/carregador controlado por fase provocapoluio harmnica na rede eltrica, (Ih.)
Desvantagens:Desvantagens:
" Baixo rendimento, em funo do retificador e doinversor, que necessitam ser dimensionados para apotncia nominal;
" Elevados custo e volume, em funo do tamanho doretificador;
" O retificador/carregador controlado por fase provocapoluio harmnica na rede eltrica, (Ih.)
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Topologia de SEI on-line - Carregador separadoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--line line - Carregador separado- Carregador separado
RetificadorRetificador
CarregadorCarregadorde de
BateriasBaterias
Ca
rga
Ca
rga
InversorInversor FiltrosFiltros
-
Topologia de SEI on-line - Carregador e conversorelevador de tensoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline - - Carregador e conversorCarregador e conversorelevador de tensoelevador de tenso
Conversor Conversor BOOSTBOOST
RetificadorRetificador
CarregadorCarregadorde de
BateriasBaterias
Ca
rga
Ca
rga
InversorInversor FiltrosFiltros
-
Topologia de SEI on-line - Carregador/retificadorcom conversor elevador de tensoTopologia de SEI Topologia de SEI onon--lineline - - Carregador/retificadorCarregador/retificadorcom conversor elevador de tensocom conversor elevador de tenso
Ca
rga
Ca
rga
Conversor Conversor BOOSTBOOST
FiltrosFiltros
Retificador/Retificador/CarregadorCarregador
de de BateriasBaterias
InversorInversor
-
Topologia de SEI Tri-PortTopologia de SEI Topologia de SEI TriTri--PortPort
Ca
rga
Ca
rga
EstabilizadorEstabilizador
Estabilizador pode ser ou no ser do tipo ferro-ressonanteEstabilizador pode ser ou no ser do tipo ferro-ressonante
-
Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive
Ca
rga
Ca
rga
Inversor/Inversor/RetificadorRetificador
Filtro
-
Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive
VantagensVantagens:
! Menor custo e maior eficincia: possui um estgio de potncia;! Possibilidade de se efetuar regulao da tenso de carga;! Atua na compensao dos harmnicos da corrente de carga,simultaneamente com a carga das baterias;
! Fator de potncia quase unitrio;! H pequeno tempo de transferncia nos modos: rede-inversore inversor-rede
-
Topologia de SEI Line-interactiveTopologia de SEI Topologia de SEI LineLine--interactiveinteractive
Desvantagens:
" impossvel atuar simultaneamente na regulao da tenso decarga e na compensao dos harmnicos da corrente de entrada;
" Quando utilizada chave esttica by-pass, no possveltransferncia sem transientes, devido ao fato de que a tenso desada no est em fase com a tenso de entrada - pela presenade Indutor L
Desvantagens:Desvantagens:
" impossvel atuar simultaneamente na regulao da tenso decarga e na compensao dos harmnicos da corrente de entrada;
" Quando utilizada chave esttica by-pass, no possveltransferncia sem transientes, devido ao fato de que a tenso desada no est em fase com a tenso de entrada - pela presenade Indutor L
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SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao paralela
SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao paralelacom compensao paralela
CargasCargasCrticasCrticas
AA
BB
CC
DD
LfLf
CfCf
LL
LLCC
-
SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao srie-paralela
SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao srie-paralelacom compensao srie-paralela
CargasCargasCrticasCrticas
AA
BB
CC
DD
AA CC
DDBB
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SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao srie-paralela
SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao srie-paralelacom compensao srie-paralela
Vantagens:Vantagens:
Possibilidade de atuar simultaneamente, por controleindependente, na compensao da tenso de entrada e nacorrente da carga; Fator de potncia unitrio; Eliminao de harmnicos da tenso de entrada; Eliminao de harmnicos e/ou compensao de reativos dacorrente de carga; Tenso de sada balanceada e regulada com TDH (5%); Corrente de entrada balanceada com TDH (5%); Custo compatvel com o sistema on-line; Tempo mximo entre falhas (MTBF - Maximum TimeBetween Fails) e eficincia superiores ao do sistema on-line.
-
SEI Line-interactive: outras topologias SEI Line-interactive com compensao srie-paralela
SEISEI LineLine--interactiveinteractive: : outras outras topologiastopologias SEI SEI LineLine--interactive interactive com compensao srie-paralelacom compensao srie-paralela
DesvantagensDesvantagens::
$ Controle mais complexo;$ Necessidade de um maior nmero de monitoramento devariveis de tenso e corrente, o que justifica sua aplicao
para potncias superiores a 20 KVA.
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
Ca
rga
Ca
rga
A) No isoladosA) No isolados
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
A) Isolamento A) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia
Ca
rga
Ca
rga
Isolamento na entrada
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
a) Isolamento a) Isolamento por por transformador para baixa freqnciatransformador para baixa freqncia
Ca
rga
Ca
rga
Isolamento na sada
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
b) Isolamento b) Isolamento por por transformador para alta freqnciatransformador para alta freqncia
Ca
rga
Ca
rgaConversor CC/CC de alta
freqncia isolado
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
c) Isolamento c) Isolamento por por transformador para alta freqnciatransformador para alta freqncia
Ca
rga
Ca
rga
Cicloconversor de alta freqncia
fsfs > 20 kHz > 20 kHz fsfs > 20 kHz > 20 kHz
-
Classificao dos SEIs on-line quanto ao tipo deisolamento
d) Carregador de baterias atravs de conversor em HFd) Carregador de baterias atravs de conversor em HF
Ca
rga
Ca
rgaTransformador de alta
freqncia isolado
-
Fonte de tensocontnua
Conversores para o carregamento de bateriasConversores para o carregamento de baterias
O que um conversor CC/CC?O que um conversor CC/CC?
(carga no-linearou sistemaeletrnico)
ConversorCC/CC
+
-
Conversores nos sistemas dealimentao
Conversores CA/CC Com alto contedo de harmnicos de baixa freqncia. Com baixo contedo de harmnicos de baixa freqncia.
Conversores CA/CC Conversores lineares; Conversores comutados.
Conversores CC/CA
-
Conversores CC/CC baseados emreguladores lineares: Idia bsica
RealimentaoRealimentao
-
Conversor CC/CC baseados em reguladoreslineares: Realizao fsica
RealimentaoRealimentao
-
Conversores CC/CC baseados emreguladores lineares: Clculo do rendimento
Vg
IR Ig
= (VOIR) / (VgIg) VO / Vg
VO
+
VT+ -
-
Ig IR
$$ O rendimento depende da tenso de entrada.O rendimento depende da tenso de entrada.$$ O conversor s pode reduzir a tenso de entrada. O conversor s pode reduzir a tenso de entrada.
-
Sistemas baseados em reguladores linearesSistemas baseados em reguladores lineares
Carga2+15V
Carga3-15V
Carga1+5V
Transformador debaixa freqncia Retificadores Reguladores Lineares
-
Sistema de alimentao baseado emreguladores lineares
Poucos componentes Robustos Sem gerao de EMI
$ Pesados e volumosos$ Baixo rendimento
-
Conversor CC/CC comutados: Conversor CC/CC comutados: Idia bsicaIdia bsica
VgCarga
PWM VO
+
-
VOVg
t
Regulador comutado
Regulador linear
Carga
-
Conversor CC/CC comutados:Filtrando a tenso sobre a carga
VOVg
t
VgPWM VO
+
- VO
VFVg
t
VO
Vg
+
-VF
+
-
Filtro Passa-Baixa
-
NO possvelNO possvel
Conversor CC/CC comutados:Pode-se usar apenas um filtro C?
Vg
t
VO
Vg
+
-VF+-
Filtro Passa-Baixa
VF
VOVF
Vg
t
VO
VO
-
Vg
+
CC
-
Conversores CC/CC comutados:Pode-se usar um filtro LC como apresentado?
Vg
t
VO
Vg
+
-VF+-
Filtro Passa-Baixa
VF
VOVFVg VO
-
+
CC
porque interrompe bruscamente a corrente no indutorporque interrompe bruscamente a corrente no indutor
NO, impossvelNO, impossvel
-
Conversores CC/CC comutados:Filtro LC com Diodo de roda-livre
Vg
t
VOVF
-Vg
+
-VF+ Filtro
Passa-Baixa VOVOVg
-
+
-
Anlise do conversor abaixador (Buck)Hipteses da anlises:
A tenso de sada no varia num ciclo decomutao.
A corrente no indutor nunca se anula (modocontnuo de conduo).
TdT
t
t
t
t
iS
iD
iL
comando
Durante dT
Durante (1-d)T
VOVg
-
+iL
is
-
+
iDVO
iL
VOVg
-
+
iL
iD
-
possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?
A partir do conversor abaixador:
VO
Controladopor comando
controladocontroladopela polaridadepela polaridade
Vg
VgR VO
Conversor abaixadorConversor abaixador
VgVO
d1-d
Fluxo de potncia
-
Vg
VO % VgVg % VO
Fluxo de potncia
d % 1-d
1-d % d
VgdEste interruptor deve sercontrolado pelo comando. Docontrrio, haveria um curtocircuito permanente.
VO
d
1-d
Fluxo de potncia
Abaixador
Outro conversor
Invertemosas tenses V
possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?
-
VO VOVg
Fluxo de potncia
1-d
d
Fluxo de potncia
Vgd
1-d
Mudando a forma deMudando a forma dedesenho do circuitodesenho do circuito
Vg VO
Conversor ELEVADOR de tenso (Boost)
possvel encontrar um conversor que elevea tenso de sada?
-
Alguns carregadores de baterias
InversorInversor
InversorInversor
VB>VCC
VCC
-
InversorInversor
VB
CC/CC
VBAT
VBAT>VB
Alguns carregadores de bateriasAlguns carregadores de baterias
-
Inversores clssicos com transistores(alimentados por uma fonte de tenso)
VOVg
S2S1Push-pull VO
VgS2
S1
Meia ponte
S2
S1
Vg
S3
S4
VO
Ponte completa
-
Obteno de conversores CC/CC apartir dos inversores clssicos (Ex.)
Inversorpush-pull Conv. CC/CC push-pull
RetRet. com . com transftransf..com com taptap central central
RecRec. com dois indutores. com dois indutores
Conv. CC/CC push-pull
RecRec. em ponte. em ponte
Conv. CC/CC push-pull
-
O conversor push-pull ou simtrico
S2 S1
n1 : n2
n1
n1n2
n2
Vg
VO
L
Circuito equivalentequando conduz S2:
VO
Circuito equivalentequando conduz S1:
VVggnn22/n/n11VVOO
O que acontece quando noO que acontece quando noconduzem nenhum dos doisconduzem nenhum dos dois
transistores?transistores?
LLCC
CC
Vgn2/n1LLL
CC
-
O conversor push-pull ou simtrico
L
VO
iL
D1
D2
iL1
iL2
Circuito equivalente quandono conduzem nem S1 nem S2:
Conduzem D1 e D2
A tenso notransformador zero
As correntes iL1 e iL1devem ser tais que:
iL1 + iL2 = iLiL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)
VOL
-
Tenses no conversorTenses no conversor pushpush--pullpull
A tenso vD a mesma que no conv.direto, com um ciclo de trabalho 2d
VO = 2dVgn2/n1 (em modo contnuo)
vsmax = 2Vg vD1max = vD2max = 2Vgn2/n1
S2
n1
n1
n2
n2
Vg
VO
LvD
+
-S1
+
-vD1
+
-vD2
vS1+
-
+
-vS2
D1
D2
dmax = 0.5 t
vS2
t
t
TdT
t
tComando
t
vS1
vD1
vD2
vD
2Vg
2Vg
Vgn2/n1
2Vgn2/n1
2Vgn2/n1
S1 S2
-
Correntes no conversorCorrentes no conversorpushpush--pullpull
S2 S1
n1 : n2
n1
n1n2
n2
Vg
VO
L
iS1
iL
D1
D2
iD1
iD2
iS2
iO
Correntes mdias:Correntes mdias:
iS1 = iS2 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
dmax = 0.5 t
t
t
iL
Comando
iS2
t
iD1
iS1
t
TdT
t
iD2
S1 S2
-
O conversor em O conversor em meia pontemeia ponte((half bridgehalf bridge))
A tenso A tenso vvDD a metade da tenso a metade da tensodo do pushpush--pullpull%%%% VO = dVgn2/n1 (modo contnuo)
vsmax = Vg vD1max = vD2max =Vgn2/n1
VOS2
n1
n2n2Vg
L
vD+
-
S1
+
-vD1
+
-vD2
vS1+
-
+
-vS2
D1
D2
Vg/2
Vg/2dmax = 0.5
t
vS2
t
t
TdT
t
tComando
t
vS1
vD1
vD2
vD
Vg
Vg
Vg0.5n2/n1
Vgn2/n1
Vgn2/n1
S1 S2
-
Correntes no conversor emmeia ponte ((half bridgehalf bridge))
Correntes mdias:
iS1 = iS2 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
iD1 iL
S2
n1
n2n2Vg
L
iO
S1
iD2
iS1
iS2D1
D2
VO
Vg/2
Vg/2dmax = 0.5 t
t
t
iL
Comando
iS2
t
iD1
iS1
t
TdT
t
iD2
S1 S2
-
O conversor em O conversor em pontepontecompletacompleta ( (full bridgefull bridge))
A tenso vD a mesma do push-pull
%%%% VO = 2dVgn2/n1 (modo contnuo)
vsmax = Vg vD1max = vD2max = 2Vgn2/n1
VOS3
n1
n2n2Vg
L
vD+
-
S4
+
-vD1
+
-vD2
vS4
+
-
+
-
vS3D1
D2
S1
S2 dmax = 0.5
vS2, vS3
t
Comando
t
vS1, vS4 Vg
Vg
t
t
t
TdT
t
vD1
vD2
vD Vgn2/n1
2Vgn2/n1
2Vgn2/n1
S1, S4 S2, S3
-
O conversor em O conversor em pontepontecompletacompleta ( (full bridgefull bridge))
Correntes mdias:
iS3 = iS4 = iOd(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2
iD1 iL iO
iD2
iS4
VO
S3
n1
n2n2Vg
L
S4
D1
D2
S1
S2
iS3
dmax = 0.5 t
t
t
iL
Comando
iS2, iS3
t
iD1
iS1, iS4
t
TdT
t
iD2
S2, S3S1, S4
-
Vg
Vg
PO
POVg
vS
iS
+
-
+
-
+
-
vS
vS
iS
iS
PO
vSmax = 2Vg iS = PO/(2Vg)Maiores solicitaes de tenso
%%%% apto para baixa tenso de entrada
vSmax = Vg iS = PO/VgMaiores solicitaes de corrente
%%%% apto para altas tenses de entrada
vSmax = Vg iS = PO/(2Vg)Menores solicitaes eltricas
%%%% apto para alta potncia
Comparao entre push-pull e pontes
-
Como feito o controle de um Como feito o controle de um
Sistema de Energia Ininterrupta?Sistema de Energia Ininterrupta?
-
Controle com apenas malha deControle com apenas malha derealimentao da tenso de sadarealimentao da tenso de sada
Vref
VoVo
PID ++--
PWMPWM
Ca
rga
Ca
rga
-
Ca
rga
Ca
rga++
--
PWMPWMIoIo
PIDVref
PIDIref
VoVo
Controle com duas malhas de realimentao:
1. Malha externa para controle da tenso de sada
2. Malha interna para controle da corrente
-
Uma forma de controle por microprocessadorDSP
C
a
r
g
a
Inversor
FiltroLC
Interface
Medio
Vo
IoDSP
PWM
-
Como projetar malhas de controladores para um SEI?
deeptibilidaaudiossuscE
Vo
Io
Vo
Vref
Vo
cteIoctema
cteEctema
cteIoctema
=
=
=
=
=
=
..
..
..
sada de Impedncia
fechada malha em ncia transferde funo
ATENO: a tenso de referncia senoidal
1. Aumentar a banda passante do inversor para reduzir o erro de regimepermanente2. Diminuir a impedncia de sada para reduzir a TDH causada por cargas no-lineares3. Minimizar a audiosusceptibilidade do conversor para reduzir a influncia datenso de ripple na alimentao sobre a tenso de sada.