Comparação técnica das Topologias de UPS On

Comparação técnica das
Topologias de UPS
On-line vs.
Line-interactive
Por Jeffrey Samstad
Michael Hoff
Aplicação
técnica nº 79
Sumário Executivo
Os sistemas UPS abaixo de 5000VA estão disponíveis em duas concepções básicas: lineinteractive 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.
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
2
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
1
qualidades relativas destas duas topologias. 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.
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
3
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
2
de alimentação de modo de comutação (SMPS). 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
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
4
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
Servidor
CC
Motherboard
CC
Disco rígido
CC
Outros
elementos
electrónicos
Corrente
pública
CA
ou
UPS
CA
Servidor
gerador
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.
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
5
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
Tensão de
entrada
Tensão de
entrada
Saída de CC vai abaixo
18 ms
Entrada de CA interrompida
Traço superior: Saída CC
de baixa tensão da fonte de
alimentação
Traços centrais: Tensão e
corrente de entrada
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
3
recebida do condensador, para fornecer alimentação aos circuitos de processamento. 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.
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
6
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
Variação de
voltagem (%)
Voltagem de
linha dupla
Zona transiente de sobrevoltagem
Voltagem de
linha nominal
"Zona de conforto"
Todos os transientes com
magnitudes e duração de
tempo dentro desta faixa
podem ser compatíveis
com as fontes de
alimentação
Zona transiente de subvoltagem
Voltagem
nula
Duração de transiente (ms)
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.
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
7
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 verificarse 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:
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).
•
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.
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
8
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
Entrada de CA
Saída de CA
Interface de
alimentação
Modo normal
Inversor
Modo de energia armazenada
IEC 488/99
62040-3© IEC:1999
Bateria
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
9
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
5
pela carga. Como tal, se a carga tiver uma SMPS com correcção de factor de alimentação (PFC), 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.
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
10
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.
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 lineinteractive 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.
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.
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
11
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
Entrada de CA
Bypass (principal ou de reserva)
Comutador
de bypass
Entrada de CA
Rectificador
Ligação CC
Saída de CA
Inversor
Bateria
para
conversor
CC
Entrada de CA
Carregador de
bateria
(opcional)
Bateria
Modo normal
Modo de energia armazenada
Modo bypass
IEC 487/99
62040-3© IEC:1999
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 online é semelhante ao da line-interactive. No entanto, ao contrário da line-interactive, a dupla conversão online 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.
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
12
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,
Mito vs. Realidade
MITO: As UPS on-line proporcionam melhor
protecção contra ruído de Modo comum (CM).
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
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 lineinteractive 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.
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.
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
13
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-
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?
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.
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
14
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
Line Interactive
Dupla
conversão
on-line
Fiabilidade
Custo total de
exploração
Entrada
Saída
Dimensão /
peso
+
+
–
+/–
–
Menos peças
Menores custos
iniciais (menos
peças)
Não PFC
Frequência
de saída
varia dentro
de limites
configuráveis
Normalmente
maior/mais pesada
+
+
Saída fixada
a uma
frequência
configurável
Normalmente mais
pequena/mais leve
especialmente em
níveis de
alimentação
superiores
Menor
temperatura de
funcionamento
Menores gastos
operacionais (menos
electricidade)
Extrema distorção
de tensão pode
requerer uso
frequente de
bateria
–
–
+
Muitas peças
Maiores custos
iniciais (mais peças)
Tem PFC
Maior
temperatura de
funcionamento
Maiores gastos
operacionais
(electricidade e
refrigeração)
Suporta extrema
distorção de
tensão sem
recorrer a bateria
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 lineinteractive 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.
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.
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
16