Factores chave nas instalações da UPS

Factores chave nas instalações da UPS
Índice
Utilizar este guia.............................................................. 2
Descrição geral nas soluções de protecção................. 4
Soluções de protecção de potência .....................................................4
Software e serviços incluídos ...............................................................5
UPSs em instalações eléctricas..................................... 6
Função de cada componente na instalação .........................................6
Parâmetros essenciais da instalação ..................................................7
Fontes de informação na configuração as especificações
da instalação ........................................................................................8
Noções básicas em instalações com UPSs .................. 9
Necessidade de potência de alta qualidade e elevada disponibilidade 9
Sistemas de alimentação com UPSs ...................................................10
Qualidade da potência da UPS ............................................................11
Disponibilidade da potência da UPS ....................................................13
Selecção da configuração ....................................................................17
Cálculos da potência ...................................................... 18
Elementos necessários para os cálculos da potência ..........................18
Classificações das configurações da UPS simples ..............................20
Classificações das configurações da UPS paralela .............................23
Controlo das harmónicas a montante ........................... 26
UPSs e correntes harmónicas a montante para diferentes
rectificadores de entrada ......................................................................26
Filtragem das harmónicas a montante para os rectificadores
em ponte de Graetz ..............................................................................27
Selecção de um filtro ............................................................................29
Esquemas de ligação à terra do sistema ...................... 32
Informação antecedente sobre os esquemas de ligação à terra do
sistema .................................................................................................32
Aplicações nas instalações da UPS .....................................................35
Protecção ......................................................................... 39
Protecção utilizando disjuntores ...........................................................42
Selecção dos disjuntores .....................................................................42
Cabos .............................................................................. 47
Selecção dos tamanhos do cabos........................................................47
Exemplo de uma instalação .................................................................48
Armazenamento de energia .......................................... 49
Tecnologias de armazenamento ..........................................................49
Selecção de uma bateria ......................................................................50
Monitorização da bateria ......................................................................51
Comunicação e interface homem-máquina ................. 53
Interface homem-máquina (HMI)..........................................................53
Comunicação .......................................................................................53
Trabalho preliminar ........................................................ 56
Considerações sobre instalação ..........................................................56
Sala da bateria .....................................................................................57
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 1
Utilizar este guia
Necessidades crescentes de potência de alta qualidade e
elevada disponibilidade
Os problemas relacionados com a qualidade e disponibilidade da potência eléctrica
tornaram-se extremamente importantes devido ao papel chave dos computadores e
da electrónica no desenvolvimento de muitas aplicações críticas.
As perturbações nos sistemas de distribuição (micro interrupções de energia,
interrupções de energia, sobretensões, etc.) podem causar perdas importantes ou
situações perigosas de segurança numa variedade de actividades, como por
exemplo:
• Indústrias sensíveis ao processo, em que uma falha nos sistemas de
controlo/monitorização podem resultar em perdas de produção.
• Aeroportos e hospitais, em que o mau funcionamento do equipamento pode
representar um perigo grave para a vida humana.
• Tecnologias de informação e comunicação, em que o nível necessário de
fiabilidade e dependência é ainda maior. Centros de dados necessitam de
potência 24 horas por dia e 365 dias por ano, sem interrupções e de alta
qualidade, ano após ano e sem pausas para manutenção.
Agora, os sistemas de protecção UPS são parte integrante da cadeia de valores de
muitas empresas. O seu nível de disponibilidade e qualidade de potência tem um
efeito directo na continuidade das operações. A produtividade, a qualidade dos
produtos e serviços, a capacidade de concorrência da empresa e segurança do
local dependem do funcionamento regular da UPS. A falha não é uma opção.
Schneider Electric – uma solução completa que cobre
todas as necessidades
Schneider Electric oferece uma gama completa de soluções de protecção de
potência para satisfazer as necessidades de todas as aplicações sensíveis.
Estas soluções implementam a tecnologia mais avançada de integração de produtos
e software de comunicação, que oferecem os níveis de fiabilidade mais elevados.
São suportadas por serviços completos baseados em conhecimentos únicos,
presença mundial e utilização das técnicas e tecnologias mais avançadas. A Global
TM
Services , com 40 anos de experiência em instalações no local do cliente,
acompanha a instalação através do ciclo de vida, desde a concepção, o arranque, o
funcionamento até às actualizações, sempre que forem necessárias.
As fontes de alimentação ininterruptas (UPSs) são obviamente uma parte vital
destas soluções. Fornecem potência contínua de alta qualidade e elevada
disponibilidade com interfaces incorporadas e avançadas de comunicação que são
compatíveis com ambientes informáticos e electrónicos
Geralmente são utilizadas em conjunto com outros produtos de comunicação, como
condicionadores harmónicos, comutadores de transferência, quadros de
distribuição, sistemas de monitorização de bateria e software de supervisão. No
geral, esta oferta fornece uma resposta completa e eficiente aos problemas de
protecção que resultam nas instalações sensíveis.
Em relação aos centros de dados, as soluções a pedido integram a infra-estrutura
física, incluindo prateleiras do servidor, UPSs, distribuição eléctrica, arrefecimento e
segurança em conjunto com o software associado.
Um guia para dar assistência aos profissionais que lidam
com instalações eléctricas para aplicações críticas
A Schneider Electric disponibilizou uma grande parte do seu know-how neste guia
de concepção.
O seu objectivo é dar assistência na concepção e instalação de soluções completas
e optimizadas de protecção de potência, desde a rede de distribuição de energia
eléctrica pública até à carga final, de acordo com os requisitos de qualidade e
disponibilidade das suas aplicações críticas.
Destina-se a todos os profissionais que lidam com este tipo de instalação, incluindo:
• Empresas de engenharia e escritórios de concepção independentes,
• Departamento de concepção do utilizador final,
• Instaladores,
• Gestores de projecto,
• Directores de instalação,
• Directores de sistemas informáticos,
• Directores financeiros e de compras.
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Utilizar este guia
Estrutura deste documento
) Localizar informações
Pode localizar as informações de várias formas:
• O índice geral no início do guia,
• A descrição geral nas páginas 4 e 5 do capítulo “Factores chave na
instalação da UPS”, que apresenta os produtos, os sistemas de comunicação,
o software e os serviços todos incluídos nas soluções de protecção.
) Capítulos
• O capítulo “Factores chave na instalação da UPS” apresenta nas páginas 6 e
7 o papel das UPSs nas instalações eléctricas e indica os parâmetros
principais que se podem ter em consideração. A parte restante do capítulo
orienta-o através do processo de selecção de uma solução, determinando os
elementos principais de uma instalação com uma UPS.
• O capítulo “Selecção da configuração da UPS” apresenta vários exemplos
práticos para seleccionar uma configuração, desde uma unidade UPS simples
até instalações que oferecem níveis de disponibilidade excepcionalmente
elevados.
• O capítulo “Eliminar correntes harmónicas” apresenta soluções para
eliminar correntes harmónicas em instalações.
• O capítulo “Revisão técnica” disponibiliza informação técnica precedente
para dispositivos e noções mencionadas noutras partes do guia.
Finalmente, para facilitar a preparação dos projectos:
) Referências cruzadas
Os vários capítulos incluem referências cruzadas (indicadas pelo símbolo Î) a
outras partes do guia de concepção apresentando informações mais profundas
sobre tópicos específicos.
As referências aos artigos técnicos (Notas de Aplicação - NA) são indicadas pelo
seguinte símbolo juntamente com o número das Notas de Aplicação em questão.
Ver nº NA Î
Capítulo 1: Factores chave na instalação da UPS
Capítulo 2 : Selecção da configuração da UPS
Capítulo 3 : Eliminar correntes harmónicas
Capítulo 5 : Revisão técnica
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p. 3
Descrição geral das soluções de protecção
Soluções de protecção de potência
Fig. 1.1. Produtos Schneider Electric.
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Descrição geral das soluções de protecção
Software e serviços incluídos
Fig. 1.2. Software e serviços Schneider Electric.
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p. 5
UPSs em instalações eléctricas
Função de cada componente na instalação
Fig. 1.3. Funções dos componentes nas instalações com UPSs.
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p. 6
UPSs em instalações eléctricas (cont.)
Parâmetros essenciais da instalação
Fig. 1.4. Parâmetros principais dos componentes nas instalações com UPSs.
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p. 7
UPSs em instalações eléctricas (cont.)
Fontes de informação na configuração as especificações da instalação
Os diagramas nas páginas anteriores disponibilizam uma descrição geral dos componentes e vários parâmetros nas instalações
com UPSs.
É essencial neste momento aprofundar os detalhes.
A tabela abaixo indica:
● a ordem pela qual os assuntos são apresentados neste capítulo
● as escolhas a fazer
● o objectivo de cada decisão com a indicação das páginas relativas aos elementos relevantes neste capítulo
● onde se pode localizar informações adicionais noutros capítulos deste guia de concepção.
Escolhas
Arquitectura única
ou múltipla e
configuração das
fontes da UPS
Objectivo
Determinar a arquitectura de instalação e
a configuração da UPS mais adequada
aos requisitos em termos de energia,
disponibilidade, actualizações,
funcionamento e orçamento.
Ver
Informações adicionais
Selecção da
Exemplos e comparação de 13
configuração da instalações típicas, desde unidades
UPS
simples a arquitecturas de elevada
disponibilidade.
Fornecimento de cargas sensíveis.
Configurações da UPS.
Conjuntos de geradores a motor.
Potência nominal
da UPS
Controlo das
harmónicas a
montante
Determinar a classificação da unidade
UPS ou unidades paralelas (para
redundância ou capacidade) necessárias,
tendo em conta o sistema de distribuição e
características da carga.
Reduzir a distorção de tensão nos
terminais a montante para níveis
aceitáveis, dependendo das possíveis
fontes de alimentação para fornecer o
sistema UPS.
Garantir a conformidade da instalação
com as normas aplicáveis em relação à
segurança da vida e propriedade e
funcionamento correcto dos dispositivos.
Quais os esquemas de ligação à terra do
sistema necessários para as aplicações?
Protecção a jusante Determinar a capacidade de interrupção e
as classificações dos disjuntores a
e a montante
montante e a jusante da UPS, resolver
utilizando
quaisquer problemas de discriminação.
disjuntores
Ligações
Limitar as quedas de tensão e aumento de
temperaturas nos cabos, bem como a
distorção harmónica nas entradas de
carga.
Bateria
Funcionamento com a potência da bateria
(tempo de reserva) deve durar o tempo
suficiente para satisfazer os requisitos do
utilizador.
Comunicação
Definir a comunicação da UPS com o
ambiente informático e eléctrico.
Esquemas de
ligação à terra do
sistema
Factores chave Constituição e funcionamento da UPS.
nas instalações
da UPS
p.17
Factores chave Eliminação das harmónicas nas
nas instalações instalações.
da UPS
p. 24
Harmónicas
Revisão
técnica
p.2
Revisão
técnica
p.23
Revisão
técnica
p.35
Revisão
técnica
p. 14
Eliminar
correntes
harmónicas
Revisão
técnica
p. 38
Factores chave
nas instalações
da UPS
p. 30
Factores chave
nas instalações
da UPS
p. 35
Factores chave
nas instalações
da UPS
p. 43
Factores chave Soluções de armazenamento de
nas instalações energia e baterias.
da UPS
p. 45
Factores chave
nas instalações
da UPS
p. 49
Trabalho preliminar O trabalho de construção e ventilação tem Revisão técnica
(se existir)
de ser planeado, principalmente se existir
p. 51
uma sala de bateria especial.
Normas
Ter em consideração as principais normas Revisão técnica Compatibilidade electromagnética
aplicáveis da UPS.
p. 33
Schneider Electric
Ver
Selecção da
configuração
da UPS p.5
09/2015 edition
Revisão
técnica
p. 31
Revisão
técnica
p. 26
p. 8
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
Necessidade de potência
de alta qualidade e
elevada disponibilidade
Perturbações na potência do sistema de distribuição
Os serviços da rede de distribuição de energia eléctrica pública e privada fornecem
electricidade, cuja qualidade pode ser reduzida devido a várias perturbações. Estas
perturbações são inevitáveis devido às distâncias envolvidas e à grande variedade
de cargas relacionadas.
A origem das perturbações inclui:
• o próprio sistema de distribuição (condições atmosféricas, acidentes,
mudança de dispositivos de protecção ou controlo, etc.),
• O equipamento do utilizador (motores, dispositivos que podem provocar
falhas, como fornos de arco, máquinas de soldagem, sistemas de electrónica,
etc.).
Estas perturbações incluem micro interrupções de energia, sobretensões, variações
de frequência, harmónicas, ruído de AF, oscilações, etc. até interrupções maiores.
Î Perturbações na potência do sistema de distribuição, ver Capítulo 5 p.3.
Requisitos das cargas sensíveis
O equipamento digital (computadores, sistemas de telecomunicação, instrumentos,
etc.) utiliza microprocessadores que funcionam a frequências de vários megas ou,
até mesmo, gigas
Hertz, ou seja, suportam milhões ou biliões de operações por segundo. Uma
perturbação no fornecimento de electricidade que dure poucos milisegundos pode
afectar milhares ou milhões de operações básicas. O resultado pode ser mau
funcionamento e perda de dados com consequências perigosas (por exemplo,
aeroportos e hospitais) ou com consequências dispendiosas (por exemplo, perda de
produção).
É esta a razão pela qual muitas cargas, denominadas cargas sensíveis ou críticas,
necessitam de um fornecimento que esteja protegido contra perturbações do
sistema de distribuição.
Exemplos:
• processos industriais e os respectivos sistemas de controlo/monitorização –
risco de perdas de produção.
• aeroportos e hospitais – riscos de segurança para as pessoas.
• tecnologias de informação e comunicação – risco de pausas no
processamento a um elevado custo à hora.
Muitos fabricantes de equipamento sensível especificam tolerâncias muito rigorosas
(mais rigorosas do que o sistema de distribuição) para o fornecimento do seu
equipamento, um dos exemplos e a CBEMA (Computer Business Equipment
Manufacturer’s Association) para equipamento informático.
Î Cargas sensíveis, ver Revisão técnica p. 2 "Fornecimento de cargas sensíveis".
Custos incorridos pela qualidade da potência eléctrica
Mais de 50% das falhas de cargas críticas devem-se ao fornecimento de
electricidade e o custo da inactividade à hora para as aplicações correspondentes
geralmente é muito elevado (fig. 1.5).
Desta forma, é essencial para a economia moderna, que está cada vez mais
dependente das tecnologias digitais, resolver os problemas que afectam a qualidade
e a disponibilidade da potência fornecida pelo sistema de distribuição quando se
destina a cargas sensíveis.
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p. 9
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
15 %
Human
error
45 %
20 %
Supply
problems
Equipment
failure
20 %
Nuisance tripping
(circuit breaker, etc.)
Exemplos de custos das falhas à hora
● telemóveis – 40 mil Euros.
● sistemas de reservas aéreas – 90 mil
Euros.
● transacções de cartões de crédito –
2,5 milhões de Euros.
● linha de montagem automóvel - 6
milhões de Euros
● transacções da bolsa de valores – 6,5
milhões de Euros.
Fig. 1.5. Origem e custo das falhas dos sistemas devido ao fornecimento de electricidade.
Sistemas de alimentação
com UPSs
Objectivo das UPSs
As UPSs (fonte de alimentação ininterrupta) foram concebidas para satisfazer as
necessidades apresentadas acima. Lançadas pela primeira vez nos anos 70, a sua
importância tem vindo a crescer em conjunto com o desenvolvimento das
tecnologias digitais.
As UPSs são dispositivos eléctricos posicionados entre o sistema de distribuição e
as cargas sensíveis. Fornecem potência muito mais fiável do que o sistema de
distribuição e que corresponde às necessidades das cargas sensíveis em termos de
qualidade e disponibilidade.
Î UPSs, ver Revisão técnica p. 4 "A solução UPS".
Tipos de UPSs
O termo UPS abrange produtos com potências nominais aparentes, desde poucas
centenas de VA até vários MVA, implementando diferentes tecnologias.
É essa a razão pela qual a norma IEC 62040-3 e a norma equivalente europeia ENV
62040-3 define três tipos padrão (topologias) de UPS.
As tecnologias da UPS incluem:
• Estado em espera passivo,
• Interacção com o sistema de distribuição,
• Conversão dupla.
Para as potências nominais baixas (< 2 kVA), as três tecnologias coexistem. Para as
potências nominais superiores, praticamente todas as UPSs (por exemplo,
componentes semicondutores de implementação, IGBTs) implementam a tecnologia
de conversão dupla.
As UPSs rotativas (com peças mecânicas rotativas, por exemplo volantes) não
estão incluídas nos padrões e permanecem à margem no mercado.
Î Tipos de UPSs, ver Revisão técnica p. 9 "Tipos de UPSs estáticas".
UPSs estáticas de conversão dupla
Este é praticamente o único tipo de UPS utilizado em instalações de elevada
potência devido às suas vantagens exclusivas em relação aos outros tipos.
• regeneração completa da potência fornecida à saída,
• isolamento total da carga do sistema de distribuição e das suas
perturbações,
• sem intervalo de transferência (quando aplicável) para uma linha bypass.
• O princípio de funcionamento (fig. 1.6) é apresentado abaixo.
• durante o funcionamento normal, o rectificador/carregador altera a potência
de entrada de CA para potência de CC para alimentar um inversor e efectuar o
carregamento flutuante da bateria.
• o inversor regenera completamente um sinal sinusoidal, repondo a potência
de CC em potência de CA, livre de todas as perturbações e dentro das
tolerâncias rigorosas de amplitude e frequência.
• se a potência de entrada de CA falhar, a bateria fornece a potência exigida
pelo inversor durante um período de tempo de reserva especificado.
• um bypass estático pode transferir a carga sem uma quebra no
fornecimento da potência a uma linha de bypass para continuar a fornecer a
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p. 10
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
carga se for necessário (falha interna, curto-circuito, manutenção). Esta
concepção de “tolerância a falhas” possibilita continuar a fornecer potência à
carga no “modo de redução” (a potência não transita para o inversor) durante
o período de tempo necessário para reestabelecer as condições normais.
Î UPSs de conversão dupla, ver Revisão técnica p. 14 "Componentes e
funcionamento".
Fig. 1.6. UPS estática de conversão dupla
Qualidade da potência da
UPS
Qualidade da potência das UPSs de conversão dupla
Por predefinição, as UPSs de estado sólido e conversão dupla fornecem às cargas
ligadas um sinal sinusoidal que:
• é de alta qualidade porque é regenerado e regulado de forma contínua
(amplitude ± 1%, frequência ± 0,5%
• não tem perturbações resultantes do sistema de distribuição (devido à
conversão dupla) e, especialmente , das micro interrupções e interrupções
(devido à bateria).
Este nível de qualidade tem de ser garantido, independentemente do tipo de carga.
Qualidade da tensão para cargas lineares
O que é uma carga linear?
Uma carga linear fornecida com uma tensão sinusoidal transporta uma corrente
sinusoidal com a mesma frequência do que a tensão. A corrente pode ser deslocada
(ângulo ϕ) em relação à tensão (fig. 1.7).
Exemplos de cargas lineares
Muitas cargas são lineares, incluindo as lâmpadas padrão, unidades de
aquecimento, cargas resistivas, motores, transformadores, etc. Não têm quaisquer
componentes electrónicos, apenas resistências (R), indutores (L) e condensadores
(C).
UPSs e cargas lineares
Para este tipo de carga, o sinal de saída da UPS é de elevada qualidade, ou seja, a
tensão e a corrente são perfeitamente sinusoides, 50 ou 60 Hz.
Carga com indutor e/ou condensador
Carga puramente resistiva
Fig. 1.7. Tensão e corrente para cargas lineares-
Qualidade da tensão para cargas não lineares
O que é uma carga não linear?
Uma carga não linear (ou com distorção) fornecida com uma tensão sinusoidal
transporta uma corrente periódica que tem a mesma frequência do que a tensão,
mas não é sinusoidal.
A corrente absorvida pela carga é, na verdade, a combinação (fig. 1.8) de:
• uma corrente sinusoidal denominada a fundamental, à frequência de 50 ou
60 Hz.
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p. 11
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
• Harmónicas, que são correntes sinusoides com uma amplitude inferior da
fundamental, mas a uma frequência que é múltipla da fundamental e que
define a ordem harmónica (por exemplo, a Terceira ordem harmónica tem uma
frequência 3 x 50 Hz
(ou 60 Hz) e a quinta ordem harmónica tem uma frequência 5 x 50 Hz (ou 60 Hz)).
As correntes harmónicas são causadas pela presença dos componentes
electrónicos (por exemplo, díodos, SCRs, IGBTs) que mudam a corrente de entrada.
Exemplos de cargas não lineares
As cargas não lineares incluem todas que têm uma fonte de alimentação no modo
de comutador à entrada para fornecer os componentes electrónicos (por exemplo,
computadores, unidades de velocidade variável, etc.).
Tensão e corrente absorvidas por uma fonte
de alimentação monofásica e no modo de
comutador (computadores).
Fig. 1.8. A corrente absorvida por cargas não lineares é distorcida pelas harmónicas.
Efeito das harmónicas (H3 e H5 neste
exemplo).
O espectro harmónico da corrente absorvida por uma carga não linear
A análise harmónica de uma corrente não linear consiste em determinar (fig. 1.9):
• as ordens harmónicas presentes na corrente,
• a importância relativa de cada ordem, medida como a percentagem da
ordem.
rms valueof harmonic k
Hk% = distorção da harmónica k =
rms value of thefundamental
Distorção harmónica da tensão e corrente
As cargas não lineares causam harmónicas da tensão e corrente. Porque para cada
harmónica de corrente existe uma harmónica de tensão com a mesma frequência. A
tensão sinusoidal de 50 Hz (ou 60 Hz) da UPS é distorcida pelas harmónicas.
A distorção de um senóide é apresentada como uma percentagem.
rms value of all the harmonic k
THD* % = distorção total =
rms value of the fundamental
* Distorção Harmónica Total.
Os seguintes valores estão definidos:
• TDHU % para a tensão, com base nas harmónicas de tensão,
• TDHI % para a corrente, com base nas harmónicas de corrente (fig. 1.9).
Quanto maior for o conteúdo da harmónica, maior é a distorção.
Na prática, a distorção na corrente absorvida pela carga é muito superior (THDI
aproximadamente de 30%) do que a da tensão à entrada (THDI aproximadamente
de 30%)
Níveis de distorção harmónica
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
THDI = 35% (ver cálculo cáp. 5, p. 41)
Corrente de entrada de um rectificador
trifásico.
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Espectro harmónico e THDI correspondente.
p. 12
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
Fig. 1.9. Exemplo do espectro harmónico da corrente absorvida por uma carga não
linear.
Î Cargas não lineares, ver "Eliminação das harmónicas nas instalações" e
Revisão técnica p. 38 "Harmónicas".
UPSs e cargas não lineares
As harmónicas afectam a tensão sinusoidal na saída da UPS. A distorção excessiva
pode perturbar as cargas lineares ligadas em paralelo na saída, principalmente
aumentando a corrente que transportam (aumento da temperatura).
Para manter a qualidade da tensão de saída da UPS, é necessário limitar a sua
distorção (THDU), por exemplo, limitar as harmónicas de corrente que produzem
distorção de tensão.
Particularmente, é necessário que a impedância (na saída da UPS e nos cabos que
fornecem a carga) permaneça reduzida.
Limitar a distorção da tensão de saída
Devido à técnica de corte da frequência, a impedância da saída das UPSs da
Schneider Electric é muito baixa, independentemente da frequência (por exemplo,
independentemente da ordem harmónica). Esta técnica elimina praticamente toda a
distorção na tensão de saída no fornecimento de cargas não lineares. A qualidade
da tensão de saída é constante, até para cargas não lineares.
Na prática, os criadores de instalação têm de:
• verificar os valores de saída da UPS em relação a cargas não lineares e,
especialmente, garantir que o nível apresentado de distorção, calculado para
cargas não lineares padronizadas conforme a norma IEC 62040-3, é muito
reduzido (THDU < 2 a 3%),
• limitar o comprimento (impedância) dos cabos de saída que fornecem as
cargas.
Î Desempenho da UPS para cargas não lineares, ver Revisão técnica p 43.
Disponibilidade da
potência da UPS
O que significa disponibilidade?
Disponibilidade de uma instalação eléctrica
Disponibilidade é a possível capacidade da instalação para fornecer energia com o
nível de qualidade exigido pelas cargas fornecidas.
É expressa em percentagem.
MTTR
Disponibilidade (%) = (1−
) × 100
MTBF
MTTR é o tempo médio para reparar o sistema de fornecimento depois de uma falha
(incluindo o tempo para detector a causa da falha, repará-la e iniciar novamente o
sistema).
MTBF é o tempo médio entre as falhas, por exemplo o tempo em que o sistema de
fornecimento consegue garantir o funcionamento correcto das cargas.
• Exemplo.
Uma disponibilidade de 99,9% (denominada três noves) corresponde a uma
hipótese de 99,9% em que o sistema terá as funções necessárias num dado
momento. A diferença entre esta probabilidade e 1 (ou seja 1 – 0,999 = 0,001) indica
o nível de não disponibilidade (ou seja, uma hipótese entre 1000 que o sistema não
terá as funções exigidas num dado momento).
Fig. 1.10. MTTR e MTBF.
Qual o significado prático de disponibilidade?
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p. 13
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
Os custos do tempo de inactividade para aplicações críticas são elevados (ver fig.
1.5).
Obviamente, estas aplicações têm de permanecer em funcionamento durante o
maior tempo possível.
O mesmo aplica-se ao fornecimento de electricidade.
A disponibilidade da energia fornecida por uma instalação eléctrica corresponde a
uma medição estatística (em forma de percentagem) do seu tempo de
funcionamento.
Os valores de MTBF e MTTR são calculados ou medidos (com base nas
observações longas o suficiente) para os componentes. Podem ser utilizados para
determinar a disponibilidade da instalação durante o período de tempo.
Quais são os factores que contribuem para a disponibilidade?
A disponibilidade depende do MTBF e MTTR.
• A disponibilidade seria igual a 100% se MTTR fosse igual a zero (reparação
instantânea) ou se MTBF fosse infinito (funcionamento sem interrupções). Isto
é estatisticamente impossível.
• Na prática, quanto menor for MTTR e maior for MTBF, maior é a
disponibilidade.
Desde "3 noves" a "6 noves"
A natureza crítica de muitas aplicações criou a necessidade de níveis muito maiores
de disponibilidade da potência eléctrica.
• A economia “tradicional” utiliza potência dos serviços da rede de
distribuição de energia eléctrica pública. Um sistema de distribuição de
qualidade média com segurança HV oferece 99,9% de disponibilidade (3
noves), que corresponde a oito horas de não disponibilidade por ano.
• As cargas sensíveis necessitam de fornecimento eléctrico com capacidade
em disponibilizar 99,99% de disponibilidade (4 noves), que corresponde a 50
minutos de não disponibilidade por ano.
• O equipamento informático e de comunicação em contros de dados
necessita de 99,9999% de disponibilidade (6 noves), que corresponde a 30
segundos de não disponibilidade por ano. Este nível é a forma para garantir,
sem risco de perda maior financeira, o funcionamento de infraestruturas 24
horas por dia e 365 dias por ano, sem encerramento para manutenção. É um
passo para o fornecimento contínuo.
) A economia “tradicional” utiliza
energia dos serviços da rede de
distribuição de energia eléctrica
pública que oferecem 99,9% de
disponibilidade, ou seja, 3 noves.
) As cargas sensíveis necessitam de
um nível de 99,99% de
disponibilidade, ou seja, 4 noves.
) Os centros de dados necessitam
de 99,9999%, ou seja, 6 noves.
Fig. 1.11. Evolução do nível de disponibilidade necessária por aplicações.
Como se pode melhorar a disponibilidade?
Para melhorar a disponibilidade, é necessário reduzir o MTTR e aumentar o
MTBF.
Reduzir o MTTR
A detecção de falha em tempo real, a análise por especialistas para garantir um
diagnóstico exacto e a reparação rápida contribuem para reduzir o MTTR.
Estes esforços dependem dos factores chave listados abaixo.
Qualidade do serviço
• Presença internacional do fabricante.
• Disponibilidade internacional dos serviços.
• O número, as competências e a experiência das equipas de assistência.
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p. 14
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
•
•
•
•
•
•
•
•
A base do produto instalado e a experiência adquirida.
UPSs modulares simples de manter
Os recursos e a proximidade do suporte técnico.
Disponibilidade local de peças sobressalentes originais.
Métodos e ferramentas do fabricante de alto desempenho.
Diagnóstico remoto.
Formação em cursos adaptados às necessidades dos clientes.
Documentação disponível e de qualidade no idioma local.
TM
A Global Services oferece uma gama completa de serviços de
consultadoria, formação e auditoria para disponibilizar aos utilizadores o
conhecimento necessário para o funcionamento do sistema, o diagnóstico
e a manutenção de nível um.
Global ServicesTM
Reduzir o MTTR
Aumentar a disponibilidade
Fig. 1.12. A qualidade dos serviços é um factor essencial na disponibilidade elevada.
Capacidades da comunicação da UPS
• Interface de fácil utilização para fornecer um diagnóstico simples.
• Comunicação com o ambiente informático e eléctrico.
Î Comunicação e supervisão das UPSs da Schneider Electric, ver . Comunicação
da UPS.
Aumentar o MTBF
Esta meta depende principalmente dos factores listados abaixo.
Selecção dos componentes com fiabilidade comprovada
• Produtos com processos certificados de fabrico, desenvolvimento e
concepção.
• Níveis certificados de desempenho por organizações independentes
reconhecidas.
• Conformidade com normas internacionais de segurança eléctrica, EMC
(compatibilidade electromagnética) e medição de desempenho.
As soluções da Schneider Electric, com 40 anos de experiência na protecção de
350 GVA da potência crítica, têm comprovado o seu valor às principais
empresas industriais. Todos os produtos estão em conformidade com as
principais normas internacionais e o seu nível de desempenho está certificado
por organizações reconhecidas.
Qualidade e fiabilidade certificadas
Aumentar o MTBF
Aumentar a disponibilidade
Fig. 1.13. A fiabilidade comprovada dos produtos aumenta o MTBF e a disponibilidade.
Tolerância de falha incorporada
A tolerância de falha possibilita o funcionamento num modo de redução, após falhas
que podem ocorrer em diferentes níveis da instalação (ver fig. 1.14). Durante o
tempo necessário de reparação, a carga continua a ser fornecida e gera receitas.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 15
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
Immediate tripping:
- detection and alarms
- identification of causes
- corrective action
Fig. 1.14. A tolerância de falha aumenta a disponibilidade.
Capacidade de manutenção da instalação
É a capacidade para isolar (retirar energia) partes da instalação para manutenção
sob condições seguras, enquanto o fornecimento da carga permanece. Deve ser
possível:
• na UPS, devido ao bypass estático e bypass de manutenção,
• noutras partes da instalação, dependendo da arquitectura.
Fornecimento directo da carga
durante a manutenção.
Transferência automática sem
interrupções da carga para a linha
bypass após uma falha interna a
jusante ou sobrecarga.
Fig. 1.15. Bypass estático e bypass de manutenção manual.
As soluções da Schneider Electric garantem a tolerância de falha e capacidade de
manutenção implementando:
• UPSs de conversão dupla com capacidade para transferir a carga para a
entrada de CA do bypass através do bypass automático e equipadas com um
bypass de manutenção,
• configurações da UPS redundante e de múltiplas fontes com unidades STS.
Factores principais para a disponibilidade das instalações
com UPSs
Há alguns anos, a maioria das instalações era constituída por unidades UPS
simples e o número de sistemas paralelos era reduzido. As aplicações que exigem
este tipo de instalação ainda existem.
No entanto, a passagem para a disponibilidade elevada exige a utilização de
configurações que oferecem redundância a vários níveis na instalação (ver fig.
1.16).
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 16
Noções básicas em instalações com UPSs
(cont.)
Redundância da fonte:
disponibilidade até mesmo
durante longas interrupções
dos serviços da rede de
distribuição de energia
eléctrica pública.
redundância da UPS:
fiabilidade e manutenção
mais fácil e segura.
Distribuição redundante
com unidades STS:
disponibilidade máxima.
Fig. 1.16. Os níveis necessários de disponibilidade deram origem à utilização de redundância
em vários níveis da instalação.
Esta tendência levou os criadores, dependendo da gravidade das cargas e dos
requisitos de funcionamento, a terem em conta alguns ou todos os factores chave
listados abaixo.
Fiabilidade e disponibilidade
Proponha uma configuração correspondente ao nível de disponibilidade necessária
pela carga, incluindo componentes com níveis comprovados de fiabilidade e seguros
através de um nível adequado de qualidade do serviço.
Capacidade de manutenção
Garanta uma manutenção simples do equipamento sob condições seguras para o
pessoal e sem interromper o funcionamento.
Capacidade de actualização
Deve ser possível actualizar a instalação ao longo do tempo, tendo em conta a
necessidade para expandir a instalação gradualmente e os requisitos de
funcionamento.
Discriminação e não propagação das falhas
Deve ser possível limitar tanto quanto possível as falhas a uma pequena parte da
instalação e ao mesmo tempo permitir a manutenção sem interromper as
operações.
Gestão e funcionamento da instalação
Facilite as operações fornecendo os meios para antecipar os eventos através da
supervisão da instalação e gestão dos sistemas.
Selecção da
configuração
Schneider Electric
Pré-requisito na definição das especificações da
instalação
A selecção de uma configuração determina o nível de disponibilidade criada para a
carga. Determina também as soluções possíveis para a maioria dos factores listados
acima.
A configuração pode ser de fonte única ou múltipla, com unidades UPS simples ou
paralelas e com ou sem redundância.
A selecção da configuração é o passo inicial na definição as especificações da
instalação. Para ajudar na tomada da decisão certa, o capítulo 2 é totalmente
dedicado a este assunto. Compara as várias configurações em termos de
disponibilidade, protecção das cargas, capacidade de manutenção, capacidade de
actualização e custo.
Î Selecção da configuração baseada em instalações típicas correspondendo a
diferentes níveis de disponibilidade, ver Selecção da configuração da UPS
09/2015 edition
p. 17
Cálculos da potência (cont.)
Elementos necessários para
os cálculos da potência
Considerações sobre instalação
Tipo de carga fornecida
Cargas lineares (cos ϕ) ou cargas não lineares (factor de potência).
Estas características determinam o factor de potência na saída da UPS.
Potência máxima absorvida pela carga sob condições em estado
estável.
Para uma carga, esta é a potência nominal. Se várias cargas estiverem ligadas em
paralelo na saída da UPS, é necessário calcular a carga total quando todas as
cargas funcionam ao mesmo tempo. Caso contrário, é necessário utilizar
diversidade para calcular o funcionamento menos favorável em termos de potência
absorvida.
Correntes de pico sob condições transitórias ou para um curto circuito
a jusante
A capacidade de sobrecarga de um sistema UPS depende do tempo de duração da
sobrecarga.
Se este tempo limite for excedido, a UPS transfere a carga para a entrada de CA do
bypass, se as respectivas características de tensão estiverem dentro das
tolerâncias. Neste caso, a carga deixa de estar protegida contra perturbações no
sistema de distribuição.
Dependendo da qualidade da tensão de CA do bypass, é possível:
• utilizar a entrada de CA do bypass para suportar aumentos de energia,
devido a mudanças de dispositivos ou a curto-circuitos a jusante. Evita uma
sobredimensão do sistema.
• Desactivar a transferência automática (excepto para falhas internas),
enquanto a possibilidade de transferências manuais permanecem (por
exemplo, para manutenção).
As UPSs da Schneider Electric funcionam no modo de limitação de corrente. Ao
espaçar a mudança dos dispositivos ao longo do tempo, geralmente é possível
suportar correntes de pico sem ser necessário transferir para a potência de CA do
bypass. Se a corrente de pico exceder o limite (por exemplo, 2,33 In para a UPS
Galaxy 9000) durante alguns períodos de tempo (mas inferiores a um segundo), a
corrente da UPS é limitada durante o tempo necessário. Este modo de
funcionamento reduzido pode ser aceitável, por exemplo para um arranque forçado
(na potência de bateria, na ausência da energia dos serviços da rede de distribuição
de energia eléctrica pública).
Potência de uma UPS
Potência nominal de uma UPS
Esta classificação, indicada nos catálogos, está na potência de saída. Está
indicada como uma potência Sn em kVA, com a potência activa correspondente
Pn em kW, para uma:
• carga linear,
• carga com cos ϕ = 0,8.
Contudo, as UPSs de última geração da Schneider Electric pode, fornecer
cargas com cos ϕ = 0,9 capacitiva.
Cálculo da potência nominal
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA). potência nominal activa
Este cálculo depende da tensão de saída da UPS e a corrente absorvida pela carga,
em que:
Sn (kVA) = UnIn
3
nos sistemas trifásicos
Sn (kVA) = VnIn nos sistemas monofásicos
Para uma UPS trifásica, U e I são valores de linha rms, para uma UPS monofásica,
V é uma tensão fase a neutra, em que:
Un = tensão fase a fase
Vn = tensão fase a neutra
Un = Vn 3
Por exemplo, se Un = 400 volts, Vn = 230 Volts.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 18
Cálculos da potência (cont.)
Potência e tipo de carga
As duas tabelas abaixo apresentam as equações que associam a potência, tensão e
corrente, dependendo do tipo de carga (linear ou não linear).
São utilizados os seguintes símbolos:
• valores de tensão instantânea u(t) e de corrente i(t),
• os valores rms correspondentes U e I,
• ω = frequência angular = 2 π f em que f é a frequência (50 ou 60 Hz),
• ϕ = deslocação entre a tensão e a corrente sob condições sinusoidais.
Cargas lineares
Trifásico
Tensão sinusoidal
u(t) = U
Monofásico
2 sin ωt
v(t) = V
entre fases
i(t) = I
2 sin (ωt - ϕ)
corrente da fase
Factor de crista da corrente
Potência aparente
S (kVA) = UI
Potência activa
P (kW) = UI
Potência reactiva
Q (kvar) = UI
fase a neutra
3
U=V
Corrente sinusoidal deslocada
2 sin ωt
2
S (kVA) = VI
3 cos ϕ
3 cos ϕ = S (kVA) cos ϕ
P (kW) = VI cos ϕ = S (kVA) cos ϕ
3 sin ϕ = S (kVA) sin ϕ
Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kVA) sin ϕ
S=
P 2 +Q
2
Cargas não lineares
Tensão sinusoidal
A tensão da UPS regulada permanece
sinusoidal (THDU baixo), independentemente
do tipo de carga.
u(t) = U
2 sin ωt
v(t) = V
entre fases
i(t) = i1(t) + Σihk(t)
ik(t) = Ihk
I=
total da corrente de fase
2 sin (ωt - ϕ1)
i1(t) = I1
corrente fundamental
2 sin (kωt - ϕk)
I12 + I22 + I3 2 + I4 2 + ....
k-ordem harmónica
valor rms da corrente total
C = valor da corrente de pico / valor rms
I12
THDI =
2
2
S (kVA) = UI
Potência activa
P (kW) = λ UI
+ I2 + I3 + I4 + ....
Distorção harmónica total da corrente
S (kVA) = VI
3
P (kW) = λ VI = λ S (kVA)
3 = λ S (kVA)
Factor de potência
Factor de crista da corrente
2
I1
Potência aparente
fase a neutra
3
U=V
Corrente com harmónicas
2 sin ωt
λ=
P(kW )
S(kVA )
Carga em percentagem da UPS
Esta é a percentagem da potência nominal absorvida pela carga.
Sload (kVA )
Carga (%) =
Sn (kVA )
) Recomendação: tenha em conta o aumento nas cargas
Aconselha-se a dar uma margem (potência em excesso) ao definir a potência
nominal, especialmente se está planeada uma expansão do local. Neste caso,
garanta que a carga em percentagem na UPS ainda é aceitável depois da
expansão.
Eficiência da UPS
Este factor determina a potência absorvida pela UPS no sistema de
distribuição a jusante, ou seja, o consumo. Pode calcular-se da seguinte
forma:
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 19
Cálculos da potência (cont.)
η (%) =
PUPSoutput (kW )
PUPSinput (kW )
Para uma determinada potência nominal, um elevado nível de eficiência:
• reduz as facturas de energia,
• reduz as perdas de calor e, consequentemente, os requisitos de ventilação.
É possível calcular a eficiência à carga total, ou seja, com 100% de carga.
Pn (kW )
ηn (%) =
PUPSinput (kW )
A potência activa da UPS é obtida ao multiplicar a potência aparente Sn (kVA)
por 0,8 (if λ > 0,8) ou por λ (se λ< 0,8).
A eficiência pode variar significativamente dependendo da carga em
percentagem e do tipo de carga.
O criador da instalação deve ter em atenção dois aspectos da eficiência.
) Recomendação 1: verifique a eficiência para cargas não lineares
A presença de cargas não lineares tem tendência a reduzir o factor de
potência para valores abaixo de 0,8. Desta forma, é necessário verificar o valor
de eficiência para cargas não lineares padronizadas. Recomenda-se esta
verificação através das normas IEC 62040-3 / EN 62040-3.
) Recomendação 2: verifique a eficiência na carga em percentagem
planeada
Geralmente, os fabricantes indicam a eficiência à carga total. Contudo, o valor pode
ser inferior se a carga em percentagem for menor (1). Deve ter-se em atenção as
UPSs que funcionam numa configuração de redundância activa, em que as
unidades partilham a carga total e geralmente funcionam a 50% da carga total ou
menos.
Uma UPS está optimizada para funcionar à carga total. Apesar das perdas serem
nos níveis máximos à carga total, a eficiência também está nos níveis máximos.
Numa UPS padrão, as perdas não são proporcionais à carga em percentagem, e a
eficiência é reduzida drasticamente quando a carga em percentagem também é
inferior. Esta situação ocorre porque as perdas são constantes e a percentagem
relativa desta parte aumenta quando a carga aumenta. Para obter uma eficiência
elevada a nível de carga reduzidos, as perdas constantes podem ser muito baixas.
Devido à sua concepção, as UPSs da Schneider Electric têm perdas constantes
muito reduzidas e como resultado, a eficiência é praticamente estável para cargas
desde 30% a 100%.
Î Eficiência da UPS, ver Revisão técnica p. 20.
Classificações das
configurações da UPS
simples
Schneider Electric
Configurações da UPS simples
Estas configurações incluem uma unidade UPS simples de conversão dupla (ver fig.
1.17). A capacidade de sobrecarga na UPS está indicada por um diagrama (o
exemplo abaixo é para a gama Galaxy 9000).
No caso de uma falha interna ou uma sobrecarga que exceda a capacidade da
UPS, o sistema transfere automaticamente para a entrada de CA do bypass. Se a
transferência não for possível, as UPSs da Schneider Electric limitam a corrente (ou
seja, pico de 2,33 In durante um segundo para o Galaxy 9000, que corresponde a
um senóide máximo com um valor rms de 2,33 / 2 = 1,65 In). Para além de um
segundo, a UPS é encerrada.
Está disponível um conjunto de comutadores de desactivação para isolar a UPS
para manutenção em total segurança.
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p. 20
Cálculos da potência (cont.)
Fig. 1.17. Unidade UPS estática simples de conversão dupla e exemplo de uma curva de
sobretensão.
Níveis de potência sob condições em estado estável
Uma UPS é dimensionada utilizando a potência nominal aparente de saída Sn (kVA)
e um factor de potência de saída de 0,8. Estas condições correspondem a uma
potência nominal activa de Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA).
Em situações reias, uma UPS fornece um número de cargas com um factor global
de potência λ que geralmente não é 0,8 devido à presença de cargas não lineares e
formas para aumentar o factor de potência;
• Se λ ≥ 0,8, a UPS ainda está limitada a Pn (kW),
• Se λ < 0,8, a UPS está limitada a λ Sn (kW) < Pn (kW).
Consequentemente, a selecção da potência nominal em kVA deve ter em conta a
potência activa fornecida às cargas.
A potência activa é determinada através dos quatro passos seguintes.
1 – Potência aparente e activa absorvida pelas cargas
O primeiro passo é avaliar os requisitos de potência da carga.
A tabela abaixo deve ser elaborada para as cargas k a serem fornecidas.
Carga
Potência nominal
aparente (kVA)
Potência nominal
activa (kW)
S1
S2
Factor de potência
de entrada λ (ou cos
ϕ)
λ1
λ2
Carga 1
Carga 2
…
Carga i
…
Carga k
Total
Si
λi
Pi = λ i S i
Sk
S
(1) S não é a soma de
Si.
λk
λ
(2) λ tem de ser
medido ou calculado.
P k = λk S k
P = λS
(3) P = λ S = Σ λi S i
P1 = λ 1 S1
P2 = λ 2 S2
(1) S não é a soma de Si porque:
-seria necessário calcular a soma vectorial se todas as cargas fossem lineares, utilizando os
ângulos dos diferentes cos ϕ,
- algumas das cargas não são lineares.
(2) λ tem de ser medido no local ou avaliado com base na experiência passada.
(3) P = λ S = Σ λi S i porque a potência activa é adicionada (sem deslocação).
2 – Potência nominal aparente da UPS (Sn)
O segundo passo é seleccionar uma UPS com uma potência nominal aparente
suficiente para incluir os requisitos da carga (em kVA).
Mediante as condições fornecidas, a potência nominal aparente adequada para a
UPS é:
Sn(kVA) > S. em que S = P / λ.
Na gama de UPSs, escolha a UPS com uma potência nominal Sn (kVA) logo acima
de S. Se for necessária a potência de reserva e a classificação escolhida for
demasiado próxima de S, escolha a próxima classificação mais elevada.
3 – Verificar a potência activa
O terceiro passo é verificar se a potência nominal escolhida consegue satisfazer os
requisitos de carga em kW, mediante as condições de funcionamento estipuladas.
Para a classificação escolhida, a UPS fornecerá a potência nominal activa
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p. 21
Cálculos da potência (cont.)
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA)
• Se λ ≥ 0,8, garanta que Pn (kW) > P, ou seja, que a UPS pode fornecer a
potência adicional necessária, caso contrário seleccione a próxima
classificação mais elevada.
• Se λ < 0,8, a potência fornecida pela UPS é suficiente porque Pn (kW) > λ Sn
(kVA), ou seja, a selecção está correcta.
4. - Carga em percentagem
O quarto passo é verificar se a carga em percentagem é aceitável agora e no
futuro, consoante as condições de funcionamento pretendidas.
A carga em percentagem é:
Carga = S / Sn(kVA) .
Tem de ser suficiente para incluir quaisquer aumentos na carga ou se existirem
planos para expandir o sistema de forma a ser redundante.
Níveis de potência mediante condições transitórias
Correntes de pico de carga
É necessário saber a corrente de pico de cada carga e a duração das condições
transitórias. Se existir o risco de um número de cargas ser activado ao mesmo
tempo, é necessário somar as correntes de pico.
Verificações necessárias
Em seguida, é necessário verificar se a potência nominal da UPS planeada pode
suportar as correntes de pico. Tenha em atenção que a UPS pode funcionar durante
poucos períodos de tempo em modo de limitação de corrente (ou seja, 2.33 In
durante um segundo para uma Galaxy 9000). Se a UPS não conseguir suportar as
correntes de pico, é necessário decidir se é aceitável transferir para a entrada de CA
do bypass quando ocorrem as condições transitórias. Se a transferência não for
aceitável, é necessário aumentar a potência nominal.
Î Revisão das correntes de pico, ver Revisão técnica p. 37.
Exemplo
O exemplo abaixo serve simplesmente para ilustrar o ponto em questão e não
corresponde a uma situação real. O objectivo é indicar os passos necessários.
A instalação é constituída por três cargas trifásicas de 400 V ligadas em
paralelo:
• Sistema informático - S1 = 4 x 10 kVA (4 cargas idênticas de 10 kVA), λ = 0,6
para todas as cargas, corrente de pico 8 In durante 4 períodos de 50 Hz (80
ms) para cada carga,
• Controlador de velocidade variável - S2 = 20 kVA, λ = 0,7, corrente de pico 4 In
durante cinco períodos (100 ms),
• Transformador de isolamento - S3 = 20 kVA, λ = cos ϕ = 0,8, corrente de pico
10 In durante seis períodos (120 ms).
Potência nominal aparente
de saída Sn(kVA)
Potência activa
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA)
Factor de potência λ à
saída da UPS para todas
as cargas
Potência total consumida
pelas cargas
P (kW) = 54 kW
4 x 10 kVA
λ1 = 0.6
20 kVA
λ2 = 0,7
20 kVA
cos ϕ = 0,8
Potência máxima activa de
saída (que a UPS possa
fornecer às cargas)
λ Sn (kVA)
Fig. 1.18. Exemplo de uma instalação.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 22
Cálculos da potência (cont.)
Níveis de potência sob condições em estado estável
1 – Potência aparente e activa absorvida pelas cargas
Deve ser elaborada a tabela que se segue.
Carga
Sistema informático
Controlador de
velocidade variável
Transformador LV/LV
Total
Potência nominal
aparente (kVA)
40
20
Factor de potência
de entrada
0.8*
0.7
Potência nominal
activa (kW)
32*
14
20
S
0.8
λ = 0.68
medido ou estimado
16
P = 54 kW
* média do novo sistema topo de gama com factor de potência 0,9 e do
equipamento mais antigo com factor de potência entre 0,7 e 0,8.
2 – Potência nominal aparente da UPS
S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA
Deve seleccionar uma Galaxy PW UPS com uma classificação suficiente. A
classificação 80 kVA não seria suficiente, ou seja, deve ser seleccionada a
classificação 100 kVA ou superior, se estiver planeada uma extensão do local.
3 – Verificar a potência activa
• A UPS pode fornecer as cargas 100 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
4 – Verificações da carga em percentagem e corrente nominal
• A carga em percentagem é 79,4 / 100 = 79,4%.
• Corrente nominal da UPS - Sn (kVA) = UI 3 , ou seja I = 100 / (400 x 1,732) =
144 A.
Correntes de pico sob condições transitórias
As cargas devem ser iniciadas uma após a outra para evitar juntarem-se às
correntes de pico. É necessário verificar se a UPS pode suportar as correntes de
pico.
As correntes nominais são calculadas como S (kVA) = UI 3 , ou seja:
• Sistema informático - In = 10 / (400 x 1,732) = 14,4 A, ou seja, 8 In ≈ 115 A
durante 80 ms
• Unidade de velocidade variável – In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, ou seja, 4 In ≈
115 A durante 100 ms
• Transformador - In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A, ou seja, 10 In = 288 A durante
120 ms
• Uma Galaxy PW UPS de 100 kVA tem uma capacidade de sobrecarga de
120%, ou seja, 151 A x 1,2 = 173 A para 1 minuto e 150%, ou seja, 151 A x 1,5 =
216 A durante 1 minuto
• Funcionamento em modo de limitação de corrente a 2,33 In, ou seja, 335 A
durante um segundo.
Se as quatro cargas do computador (10 kVA cada) forem iniciada uma após a outra,
a capacidade de sobrecarga de 20% da UPS é suficiente (173 A-1mn > 115 A - 80
ms).
Se as quatro cargas forem iniciadas simultaneamente, a corrente de pico seria
4 x 115 = 460 A > 335 A. O sistema iria limitar a corrente durante 80 ms.
Para o controlador de velocidade variável, a capacidade de sobrecarga é suficiente.
Para o transformador de isolamento (288 A durante 120 ms), a capacidade de
sobrecarga é novamente suficiente.
Classificações das
configurações da UPS
paralela
Configurações da UPS paralelas
Objectivo da ligação paralela
A ligação paralela de um número de unidades idênticas é a forma para:
• aumentar a potência nominal,
• estabelecer redundância que aumenta a MTBF e disponibilidade.
Tipos de ligação paralela
Podem ser ligados dois tipos de unidades UPS em paralelo.
• Unidades UPS paralelas integradas – cada unidade UPS inclui um bypass
automático e um bypass de manutenção manual. O bypass manual pode ser
comum a todo o sistema (num compartimento externo).
• As unidades UPS paralelas com um SSC – compartimento de comutador
estático inclui um bypass automático e um bypass de manutenção comuns a
uma variedade de unidades paralelas sem bypasses (ver fig. 1.19).
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 23
Cálculos da potência (cont.)
Também estão disponíveis sistemas paralelos modulares, constituídos por
módulos redundantes e dedicados, potência, inteligência, bateria e bypass,
tudo numa concepção de manutenção fácil e eficiente. Os módulos de
potência podem ser adicionados facilmente à medida que a necessidade
aumenta ou à medida que são necessários níveis mais elevados de
disponibilidade.
Existem dois tipos de configurações paralelas.
• Sem redundância – todas as unidades UPS são obrigadas a fornecer a
carga. A falha de uma unidade significa que todo o sistema encerra (não
recomendado).
• Com redundância N+1, N+2, etc. – o número de unidades UPS necessário
para a carga é igual a N. Todas as unidades UPS (N+1, N+2, etc.) partilham a
carga. Se uma unidade UPS for encerrada, as unidades restantes (pelo menos
igual em número a N) continuam a partilhar a carga.
Î Características e configurações típicas, ver Capítulo 2.
Fig. 1.19. Sistema UPS com unidades ligadas em paralelo e um compartimento de
comutador estático (SSC).
Níveis de potência em configurações paralelas
redundantes
Numa configuração paralela redundante constituídas por unidades idênticas, as
unidades partilham a carga. A potência nominal de cada unidade não depende do
nível de redundância, mas tem de ser calculada para continuar a fornecer a carga,
mesmo se não existir redundância.
A redundância activa:
• aumenta a disponibilidade,
• aumenta a capacidade de sobrecarga,
• reduz a carga em percentagem em cada unidade UPS.
O nível de potência é determinado através dos mesmos quatro passos do que a
configuração da UPS simples.
1 – Potência aparente e activa absorvida pelas cargas
É utilizado o mesmo tipo de tabela do utilizado para um UPS simples (ver Capítulo1
p. 20).
O resultado é a potência aparente S que tem de ser fornecida à carga.
2 – Potência nominal aparente das unidades UPS (Sn) na configuração
Considere um nível de redundância N + K (ou seja 2 + 1), que significa:
- São necessárias unidades N (ou seja 2) para fornecer a carga,
- As unidades K (ou seja 1 unidade extra) garante a redundância.
Cada unidade UPS tem de ser dimensionada para activar o sistema como um todo
para funcionar sem redundância, ou seja, com unidades operacionais N e unidades
K encerradas.
Neste caso, cada uma das unidades N tem de ter uma potência nominal aparente Sn
(kVA), da seguinte forma:
Sn(kVA) > S / N.
Escolha d gama de UPSs, a UPS com uma potência nominal Sn (kVA) logo acima
de S/N. Se for necessária a potência de reserva ou a classificação escolhida for
demasiado próxima de S, escolha a próxima classificação mais elevada.
3 – Verificar a potência activa
Para a classificação escolhida, a UPS fornecerá a potência nominal activa
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 24
Cálculos da potência (cont.)
Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA)
• se λ ≥ 0,8, garanta que Pn (kW) > P, ou seja, que a UPS pode fornecer a
potência adicional necessária, caso contrário seleccione a próxima
classificação mais elevada.
• se λ < 0,8, a potência fornecida pela UPS é suficiente porque Pn (kW) > λ Sn
(kVA), ou seja, a selecção está correcta.
4 - Carga em percentagem
Com redundância, as unidades UPS partilham a carga de acordo com a equação
S / (N+K). A carga em percentagem para cada unidade quando existe redundância
é:
TL = S / (N + k) Sn(kVA) .
Num sistema não redundante, é calculada da seguinte forma:
TL = S / N Sn(kVA).
Tem de ser suficiente para incluir quaisquer aumentos na carga.
Exemplo
Este exemplo utilizará os resultados do último exemplo e vamos considerar que as
cargas são críticas, ou seja, a redundância é necessária.
• A carga total é 54 kW com um factor de potência global para todas as cargas
de 0,68, ou seja, S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA.
• Se for utilizada redundância de 2+1, as duas unidades devem ter capacidade
para fornecer a carga. Cada deve fornecer S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kVA.
• Deve seleccionar uma Galaxy PW UPS com uma classificação suficiente. A
classificação 40 kVA não seria suficiente, ou seja, deve ser seleccionada a
classificação 50 kVA ou superior, se estiver planeada uma extensão do local.
• Se a redundância não estiver disponível, as duas unidades devem ter
capacidade para fornecer a carga.
• Este é o caso porque 2 x 50 x 0,68 = 68 kW > 54 kW.
• Durante o funcionamento, a carga em percentagem será:
- com redundância, ou seja, com 3 unidades UPS que partilham a carga: 79,4 / 3 x
50 = 52,9%,
- sem redundância, ou seja, só com 2 unidades UPS que partilham a carga: 79,4 / 2
x 50 = 79,4%.
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09/2015 edition
p. 25
Controlo das harmónicas a montante
UPSs e correntes harmónicas
a montante para diferentes
rectificadores de entrada
Função do rectificador de entrada
As unidades UPS absorvem potência do sistema de distribuição de CA através de
um rectificador/carregador. Em relação ao sistema a montante, o rectificador é uma
carga não linear que causa harmónicas. No que diz respeito às harmónicas, existem
dois tipos de rectificadores.
Rectificadores padrão
Estes rectificadores são trifásicos e incluem SCRs e utilizam uma ponte hexafásica
(ponte de Graetz) com corte padrão da corrente.
Este tipo de ponte transporta correntes com ordens de n = 6 k ± 1 (em que k é um
número inteiro), principalmente H5 e H7 e para um grau menor H11 e H13.
As harmónicas são controladas utilizando um filtro (ver fig. 1.20).
Rectificadores activos controlados com base em transístor tipo
PFC
Estes rectificadores activos com base em transístor têm um sistema de regulação
que ajusta a tensão de entrada e a corrente a um senoide de referência. Esta
técnica garante uma tensão de entrada e uma corrente que são:
• Perfeitamente sinusoidais, ou seja, livres de harmónicas,
• em fase, ou seja, com um factor de potência próximo de 1.
Com este tipo de rectificador, não são necessários filtros.
Î Limpar rectificadores com base em transístor, ver Capítulo 4.
Todas as gamas de UPSs de elevada potência da Schneider Electric (excepto a
Galaxy PW e Galaxy 9000) utilizam tecnologias de rectificadores activos controlados
do tipo PFC e, desta forma, não geram harmónicas.
Fig. 1.20. Rectificador de entrada e harmónicas.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 26
Controlo das harmónicas a montante (cont.)
Filtragem das
harmónicas a montante
para os rectificadores em
ponte de Graetz
Objectivos da filtragem harmónica
Esta secção diz respeito apenas às gamas Galaxy PW e Galaxy 9000 e às UPSs
com rectificadores convencionais em ponte de Graetz.
Um sistema a montante “limpo”
O objectivo é garantir um nível de distorção de tensão (THDU) nos terminais que
fornecem a UPS compatível com as outras cargas ligadas.
A UTE recomenda limitar o THDU a:
• 5% quando a fonte é um gerador,
• 3% quando a fonte é um transformador para ter em conta 1 a 2% do THDU,
que pode já estar presente no sistema de distribuição HV.
Esta recomendação pode variar de país para país.
Na prática, as soluções de distorção de tensão (THDU) têm de ser implementadas
de acordo com as especificações do país onde a instalação está localizada.
Combinação simples com um gerador a motor
O objectivo é possibilitar uma combinação de UPS/gerador a motor sem risco de
aumento do nível de harmónicas quando a carga é transferida para o gerador. Este
risco existe porque o gerador tem uma impedância de fonte inferior à do
transformador, que aumenta os efeitos das harmónicas.
Factor de potência elevada na entrada do rectificador
O objectivo é aumentar o factor de potência de entrada (geralmente para um nível
superior do que 0,94).
Reduz o consumo de kVA e evita a sobredimensão das fontes.
Instalação em conformidade com as normas
O objectivo é estar em conformidade com as normas relacionadas com as
perturbações das harmónicas e com as recomendações para os serviços da rede de
distribuição de energia eléctrica pública.
• Normas sobre perturbações das harmónicas (ver tabela 1.2)
- IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 para dispositivos com uma corrente de entrada de ≤
16 A/ph.
- IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 para dispositivos com uma corrente de entrada de >
16 A/ph.
• Normas e recomendações sobre a qualidade dos sistemas de distribuição,
principalmente:
- IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5,
- EN 50160 (Europa),
- IEEE 519-2 (Estados Unidos),
- ASE 3600 (Suíça),
- G5/3 (Reino Unido), etc.
Î Normas sobre harmónicas, ver "Normas da UPS" na Revisão técnica p. 29.
Tabela 1.2. Exemplo das limitações da corrente harmónica consoante o guia IEC 61000-3-4 /
EN 61000-3-4 para dispositivos com uma corrente de entrada de > 16 A/ph (fase 1, ligação
simplificada).
Harmónica
% de H1 (fundamental)
H3
21.6%
H5
10.7%
H7
7.2%
H9
3.8%
H11
3.1%
H13
2.0%
H15
0.7%
H17
1.2%
H19
1.1%
H21
≤ 0.6%
H23
0.9%
H25
0.8%
H27
≤ 0.6%
H29
0.7%
H31
0.7%
≥ H33
≤ 0.6%
Ordens pares
≤ 0,6% ou ≤ 8/n (n ordem par)
Tipos de filtros de harmónicas
Os filtros de harmónicas eliminam determinadas ordens ou todas as ordens,
dependendo da sua tecnologia. Estão disponíveis os seguintes tipos.
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09/2015 edition
p. 27
Controlo das harmónicas a montante (cont.)
Filtros LC passivos
• não compensados
• compensados
• não compensados com relé
Rectificador de ponte dupla
Filtro de mudança de fase
Filtro THM activo (tecnologia activa de 12 impulsos).
Filtragem e ligação paralela
Quando várias unidades UPS estão ligadas em paralelo e dependendo do tipo de
filtro utilizado, é possível instalar:
• um filtro individual em cada unidade UPS,
• um filtro comum para toda a configuração em paralelo.
O objectivo é alcançar um equilíbrio entre custo e eficiência, tendo em conta os
níveis aceitáveis de distorção harmónica.
As tabelas de comparação das várias soluções (Capítulo 1, p. 28) são úteis para
fazer uma selecção.
Combinação de filtros LC e gerador
O gerador só pode fornecer correntes capacitivas relativamente reduzidas (10 a
30% de In). Ao instalar-se um filtro LC, a principal dificuldade recai sobre o arranque
gradual do rectificador quando alimentado pelo gerador, quando a potência activa é
zero e o gerador só fornece corrente capacitiva para o filtro. Em consequência, a
utilização dos filtros LC têm de ser analisados correctamente para garantir que o
funcionamento está em conformidade com as especificações do fabricante. Seguese um método de selecção de filtros LC, utilizando como exemplo uma curva de
redução de potência do gerador, semelhante aos fornecidos pelos fabricantes.
Fig. 1.21. Curva de redução de potência de um gerador, como uma função do factor de
potência da instalação.
A curva na figura acima, fornecida como exemplo entre muitas, mostra a redução de
potência como uma função do ponto de funcionamento de um determinado gerador.
Para uma carga verdadeiramente capacitiva (λ = 0), a potência disponível é igual
apenas a 30% da potência nominal (ponto A). Se considerarmos uma potência
nominal aparente, como a do gerador Pn = rectificador Pn, o significado dos pontos
A, B, C, D , E e F é o seguinte:
A: potência reactiva correspondente à corrente capacitiva de um filtro não
compensado,
B: potência reactiva correspondente à corrente capacitiva de um filtro compensado,
C: ponto de funcionamento no arranque com um filtro não compensado com relé,
D: ponto de funcionamento na carga nominal com um filtro não compensado,
E: ponto de funcionamento na carga nominal com um filtro compensado,
F: ponto de funcionamento na carga nominal, sem um filtro ou com um filtro de
mudança de fase.
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09/2015 edition
p. 28
Controlo das harmónicas a montante (cont.)
Exemplo
Considere um filtro não compensado com um gerador de 300 kVA e uma 200 kVA
Galaxy PW UPS.
A potência nominal do rectificador, tendo em conta 87% do valor de eficiência (1 /
0,87 = 1,15), é 1,15 vezes a do inversor, ou seja, 200 x 1,15 = 230 kVA.
A corrente capacitiva do filtro não compensado é 230 x 30% (1) = 69 kVA.
A potência reactiva que o gerador pode suportar (ponto A) é 300 x 0,3 = 90 kVA.
Assim, o filtro é compatível com o gerador.
(1) O valor de 30% foi determinado experimentalmente.
Selecção de um filtro
Parâmetros de selecção de um filtro
Eficácia global – redução em distorção (THDI e THDU)
A eficácia depende das ordens harmónicas filtradas e do grau de atenuação ou
eliminação. É medido através do THDI na entrada do rectificador.
O impacto no THDI determina o nível do THDU. É necessário verificar o
desempenho na carga em percentagem planeada, tendo em conta que muitos
sistemas UPS funcionam com cargas em percentagem entre 50 e 75%.
Aumento no factor de potência λ
O filtro aumenta o factor de potência (geralmente para um nível superior a 0,92).
Compatibilidade com um gerador a motor
Também é necessário verificar o desempenho com a(s) fonte(s) planeada(s), quer
um transformador ou um gerador a motor. Porque o gerador tem uma impedância de
saída inferior à do transformador, o que aumenta os efeitos das harmónicas.
Adequado a configurações da UPS paralela
Dependendo do tipo de filtro, é possível instalar um em cada unidade UPS ou
configurar um único filtro para eliminação global das harmónicas.
Eficiência
O consumo dos filtros pode modificar ligeiramente a eficiência da instalação como
um todo.
Flexibilidade para configuração e actualizações
Geralmente, os filtros são específicos a uma UPS e podem vir montados de fábrica
ou serem colocados após a instalação. O regulador SineWave fornece eliminação
global das harmónicas e maior flexibilidade na configuração.
Dimensões
É necessário verificar se o filtro pode ser instalado no gabinete da UPS ou num
segundo gabinete.
Custo
Tem impacto na eficácia do filtro e tem de ser comparado com as vantagens
obtidas.
Conformidade com as normas
É necessário determinar a conformidade com as normas, especialmente a IEC
61000-3-4, em termos dos níveis harmónicos individuais indicados nos textos.
Tabela de comparação das soluções
As seguintes tabelas listam os elementos para comparação, com um comentário
geral sobre a utilização de cada tipo de solução.
A tabela 1.3 apresenta soluções individuais para configurações da UPS simples.
Estas soluções também podem ser utilizadas em configurações paralelas.
A tabela 1.4 apresenta as soluções globais para todas as configurações.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 29
Controlo das harmónicas a montante (cont.)
Tabela 1.3. Comparação de soluções individuais de filtragem harmónica
Tipo de filtro
Critério
Diagrama
Redução na distorção
THDI com 100% de carga
THDI com 50% de carga
Harmónicas eliminadas
LC não
compensado
LC compensado
LC com relé
Ponte dupla
THM incorporado
Fig. 1.22a
Fig. 1.22b
Fig. 1.22c
Fig. 1.22d
Fig. 1.22e
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
7 a 8%
10%
H5, H7
10%
15%
H5, H7, H17, H19
4%
5%
H2 a H25
0.95
1
0.95
1
0.95
1
0.85
0.8
0.94
0.94
*
**
**
**
***
***
*
***
*
***
*
*
*
**
***
***
***
***
***
***
***
*
*
**
***
*
*
*
*
**
Fig. 1.22f
Fig. 1.22g
Fig. 1.22h
Fig. 1.22i
Fig. 1.22j
não
não
não
não
sim
Factor de potência
λ a 100% de carga
λ a 50% de carga
Compatibilidade com
gerador
Eficiência do filtro
Flexibilidade, capacidade
de actualização
Custo
Dimensões
Ligação em paralelo com
UPS
Conformidade com o guia
IEC 61000-3-4
Comentários gerais
*** Excelente
Schneider Electric
** Boa
Solução adequada a
instalações sem um
gerador a motor.
Solução adequada a
instalações com um
gerador a motor. A
carga indutora
adicionada reduz a
potência capacitiva
que deve ser
fornecida pelo
gerador a motor.
Solução adequada a
instalações incluindo
um gerador a motor
com uma potência
nominal inferior à da
UPS. A linha LC é
ligada pelo relé com
um valor predefinido
correspondente à
carga em
percentagem do
inversor aceitável
para o gerador a
motor.
Solução adequada a
instalações com
geradores
Solução adequada a
instalações sensíveis
ou com níveis de
carga variáveis. A
solução mais eficiente
e mais flexível. Não
depende da carga em
percentagem, ou do
tipo de fonte a
montante.
* Suficiente
09/2015 edition
p. 30
Controlo das harmónicas a montante (cont.)
Tabela 1.4 Comparação das soluções globais.
Tipo de filtro
SineWave
Critério
Diagrama
Filtro de mudança de fase
AC input
SW
UPS
UPS
UPS
Load
Fig. 1.23a
Fig. 1.23b
Fig. 1.23c
Fig. 1.23d
Redução na distorção
THDI com 100% de carga
THDI com 50% de carga
4%
5%
< 10%
35% com 1
encerramento de
UPS
< 5%
19% com 1
encerramento de
UPS
< 4%
12% com 1
encerramento de
UPS
Harmónicas eliminadas
H2 a H25
Factor de potência
λ a 100% de carga
λ a 50% de carga
Compatibilidade com
gerador
Eficiência do filtro
Flexibilidade, capacidade
de actualização
Custo
Dimensões
Conformidade com o guia
IEC 61000-3-4
Comentários gerais
*** Excelente
Schneider Electric
** Boa
0.95
1
0.8
0.8
***
**
***
***
**
*
***
***
***
*
sim
sim
Solução adequada a instalações sensíveis
ou com níveis de carga variáveis. A solução
mais eficiente e mais flexível. Não depende
da carga em percentagem, ou do tipo de
fonte a montante.
Não é possível alterar a solução. Adequada a instalações com mais
de duas unidades UPS ligadas em paralelo.
* Suficiente
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p. 31
Esquemas de ligação à terra do sistema
Informação antecedente
sobre as disposições de
ligação à terra do
sistema
Protecção de pessoas contra o contacto eléctrico
As normas internacionais exigem que as instalações eléctricas tenham dois tipos de
protecção das pessoas contra os perigos das correntes eléctricas.
Protecção contra contactos directos
O objectivo desta forma de protecção é evitar o contacto "directo" entre as pessoas
e as peças com corrente (ver fig. 1.24).
Inclui os pontos listados abaixo.
• isolamento das peças com corrente utilizando barras ou compartimentos
que proporcionem um grau de protecção, pelo menos, igual a IP2X ou IPXXB.
• abertura no compartimento (portas, prateleiras, etc) só deve ser permitida
mediante a utilização de uma chave ou ferramenta ou depois da desactivação
das peças com corrente ou instalação automática de um ecrã.
• ligação de um compartimento em metal a um condutor de protecção.
Protecção contra contactos indirectos e esquemas de ligação à terra do
sistema
O objectivo desta forma de protecção é evitar o contacto “indirecto” entre pessoas e
peças condutoras expostas (ECP) que ficaram com corrente acidentalmente
devido a uma falha de isolamento. A corrente com falha cria nas peças condutoras
expostas (ECP) um potencial que pode ser suficiente para causar uma corrente
perigosa para passar pelo corpo da pessoa em contacto com as peças condutoras
expostas (ver fig. 1.24).
Esta protecção inclui os pontos listados abaixo.
• ligação à terra obrigatória de todas as peças condutoras expostas (ECP) às
quais o utilizador possa ter acesso.
O condutor de protecção é utilizado para ligação à terra. Nunca deve ter
interrupções (sem dispositivos de interrupção no condutor de protecção).
As técnicas de interligação e ligação à terra das peças condutoras expostas (ECP)
determinam o esquema de ligação do sistema (SEA) para a instalação.
• desactivação da alimentação quando o potencial das ECPs tem a
possibilidade de atingir níveis perigosos. A interrupção é efectuada através de
um dispositivo de protecção que depende do esquema seleccionado de
ligação à terra do sistema (SEA). geralmente necessita de dispositivos de
corrente residual (RCD), porque as correntes de falha de isolamento são
demasiado baixas para serem detectadas pelos dispositivos de protecção de
sobrecorrente.
Fig. 1.24. Contactos directos e indirectos.
Tipos de esquemas de ligação à terra do sistema (SEA)
Existem três tipos de esquemas de ligação à terra do sistema (SEA).
• Neutro isolado (IT).
• Neutro ligado à terra (TT).
• Peças condutoras expostas ligadas ao neutro (TN com TN-C e TN-S).
As duas primeiras letras indicam a forma como o neutro e os ECPs das cargas
estão ligadas.
Primeira letra
Ligação ao neutro
Segunda letra
Ligação aos ECPs
T = neutro ligado à terra
T = peças condutoras
expostas ligadas ao neutro
N = peças condutoras
expostas ligadas ao neutro
I = neutro isolado
Sistemas IT, TT ou TN
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Terceira letra (para TN)
Tipo de condutor de
protecção
C = Neutro comum e
condutor de protecção (PEN)
S = Neutro separado (N) e
condutor de protecção (PE)
TN-C ou TN-S
p. 32
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
Esquemas de ligação à terra do sistema (SEA)
Neutro isolado (IT)
● O neutro da fonte é:
- isolado da ligação à terra (neutro isolado),
- ou ligado à terra através de uma impedância
elevada res (neutro impedante).
● As peças condutoras expostas (ECP), todas
protegidas pelo mesmo dispositivo de
interrupção, são ligadas à terra (resistência do
electródio de ligação à terra RA).
L1
L2
L3
N
PE
Zres
Id
RA
Ud
Ex. Falha fase-a-ECP numa carga.
Uo é a tensão fase-a-neutro num sistema de
distribuição (230 V).
● Corrente da primeira falha
RA= 10 Ω e Zres= 3500 Ω (aproximadamente),
Id = Uo / (RA + Zres) = 66 mA.
● Tensão da primeira falha
Ud = Uo x RA / (RA + Zres) = 0,66 V.
Esta potência não é perigosa.
A falha tem de ser detectada por um IMD
(dispositivo de monitorização de isolamento)
localizado por um dispositivo de localização de
falha e reparada.
● Corrente da segunda falha
A segunda falha que ocorre antes da primeira
falha ser reparada resulta num fluxo de um
curto-circuito fase-para-fase ou fase-paraneutro. Tem de ser eliminada pelos
dispositivos de protecção de sobrecorrente
dentro do limite de tempo definido pelas
normas.
Fig. 1.25. Sistema IT.
Neutro ligado à terra (TT)
Ex. Falha fase-a-ECP numa carga.
● O neutro da fonte tem ligação à terra.
● As peças condutoras expostas (ECP), todas Uo é a tensão fase-a-neutro num sistema de
distribuição (230 V).
protegidas pelo mesmo dispositivo de
interrupção, são ligadas à terra (resistência do ● Corrente com falha
electródio de ligação à terra RA).
Ex. RA = 10 Ω e RB = 5 Ω
Id = Uo / (RA + RB) = 15,3 A
L1
L2
L3
N
PE
RB
Id
RA
Ud
● Tensão com falha
Ud = Uo x RA / (RA + RB) = 153 V
Esta potência é perigosa (> 50 V).
A falha tem de ser eliminada pelos dispositivos
de protecção dentro do tempo definido pelas
normas.
A corrente com falha é baixa e, desta forma,
tem de ser detectada por um dispositivo de
protecção de corrente residual (RCD) que
impulsiona o dispositivo de protecção
imediatamente. A corrente de funcionamento
do RCD e o tempo necessário para eliminar a
falha são definidos pelas normas.
Fig. 1.26. Sistema TT.
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09/2015 edition
p. 33
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
Peças condutoras expostas ligadas ao neutron (TN)
● Impedância da ligação em sequência da
● O neutro da fonte tem ligação à terra
falha
Zb = ZABCDEF (parte do circuito ABCDEF)
consequentemente ligadas à terra através do Zb ≈ ZBCDE ≈ 2 ZDE porque ZBC = ZDE (BC e DE
condutor de protecção (PEN). Este esquema são idênticos, a impedância de falha é
transforma todas as falhas de isolamento em insignificante)
Ex. Uma carga fornecida por um cabo de
curto-circuitos fase-a-neutro.
cobre de 50 mm² com comprimento de 50
● A potência do condutor de protecção é
metros (fase e PE).
mantida próxima da ligação à terra pelos
2
Zb = 2 ρ L / S em que ρ = 22,5 Ω. mm /m
vários pontos de ligação.
-3
Zb = 2 x 22,5 10 x 50 / 50 = 45 mΩ.
● Tensão com falha
Uma quebra de tensão de 20% é permitida
para a tensão de fase-a-neutro Uo, ou seja,
L1
UBE = 0,8 Uo.
L2
No ZBC = ZDE, a potência dos ECPs aumenta
L3
B
A
para Ud = UBE / 2 = 0,8.Uo / 2 = 92 V
Id
E
PEN
F
● Corrente com falha
-3
Id = 0,8 Uo / Zb = 0,8 x 230 / 45 10 = 4089 A
D
A interrupção é feita pelos dispositivos de
C
protecção de sobrecorrente dentro do tempo
definido pelas normas. A corrente com falha
depende da impedância da ligação em
Ud
sequência da falha.
É necessário ter em atenção para garantir
que em todos os pontos no sistema a
corrente com falha é superior ao limite de
funcionamento dos dispositivos de
protecção.
Fig. 1.27. Sistema TN-S (o princípio básico é idêntico ao sistema TN-C).
directamente.
● As ECPs da instalação ligadas ao neutro e
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 34
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
Comparação dos esquemas de ligação à terra do sistema
(SEA)
Tipo de SEA
Funcionamento
IT (neutro isolado)
● Sinalização da primeira
TT (neutro ligado à terra) TN-S (ECP para neutro) TN-C (ECP para neutro)
● Desactivação para a
● Desactivação para a
● Ocorre a desactivação
falha de isolamento.
● Localização e eliminação
da primeira falha.
● Desactivação para a
segunda falha.
Protecção de pessoas ● Interligação e ligação à
terra dos ECPs.
● Primeira falha:
- corrente muito baixa,
- monitorização/indicação
por um IMD.
● Segunda falha:
- corrente potencialmente
perigosa,
- interrupção por dispositivos
de sobrecorrente (ex.
disjuntor de circuito).
Equipamento
específico
Vantagens e
desvantagens
EMC
Utilização
primeira falha de isolamento. para a primeira falha de
primeira falha de isolamento.
isolamento
● Neutro comum e condutor
● Neutro separado (N) e
de protecção (PEN).
condutor de protecção (PE).
● Ligação à terra dos ECPs
combinados com a utilização
dos dispositivos de corrente
residual (RCD).
● Primeira falha:
- corrente de fuga é
periogosa, mas demasiado
baixa para ser detactada
pelos dispositivos de
protecção de sobrecorrente,
- detecção pelos RCDs
combinados com
dispositivos de interrupção.
Dispositivo de monitorização Dispositivos de corrente
de isolamento (IMD) e
residual (RCD).
dispositivo de localização de
falha.
● Solução que oferece o
● Solução mais simples em
melhor serviço de
relação à concepção e
continuidade (primeira falha instalação.
é assinalada).
● Uso obrigatório dos RCDs.
● Necessita de pessoal
● Electródios de ligação à
competente para supervisão terra diferentes (fontes
(localização da primeira
distantes).
falha).
● Altamente sensível a
● Desempenho elevado do relâmpagos.
EMC, correntes muito baixas
no cabo de ligação à terra.
● Instalações que
● Edifícios comerciais e
necessitam de assistência
contínua, ex. Hospitais,
aeroportos, processos
industriais, navios.
● Instalações e locais onde
existe risco de incêndio ou
explosão, ex. minas, etc.
ECP = Peças condutoras expostas.
Aplicações nas
instalações da UPS
residenciais, iluminação
pública, escolas, etc.
● Interligação e ligação à
terra necessárias dos ECPs
e neutros.
● primeira falha:
- corrente com falha,
- interrupção por dispositivos
de sobrecorrente (ex.
disjuntor de circuito).
● Interligação e ligação à
terra necessárias dos ECPs
e neutros.
● Primeira falha:
- corrente com falha,
- interrupção por dispositivos
de sobrecorrente (ex.
disjuntor de circuito).
Deve utilizar-se RCDs para
longas distâncias.
● Elevados custos de
● Custos de instalação
instalação para potência
nominal elevada.
● Dificuldade de concepção
(cálculo das impedâncias da
ligação em sequência).
● Fluxo de elevadas
correntes de falha.
● Elevado desempenho do
EMC,
corrente baixa no PE
durante o funcionamento
normal.
● Grandes edifícios
comerciais, edifícios altos,
etc.
● Indústrias sem processos
contínuos (sistema IT).
● Alimentação dos sistemas
informáticos.
reduzidos (menos um
condutor).
● Dificuldade de concepção
(cálculo das impedâncias da
ligação em sequência).
● Fluxo de elevadas
correntes de falha.
● Baixo desempenho do
EMC,
elevadas correntes no PEN
(ligações entre ECPs).
● Grandes edifícios
comerciais, edifícios altos,
etc.
● Indústrias sem processos
contínuos (sistema IT).
● Alimentação dos sistemas
informáticos.
Aspectos específicos nos sistemas com UPSs
A implementação dos sistemas de protecção acima em instalações que incluem
uma UPS exige várias precauções devido a inúmeras razões:
• A UPS tem duas funções:
- carga para o sistema a montante,
- fonte de alimentação para o sistema a jusante,
• Quando a bateria não está instalada num gabinete, uma falha de isolamento
no sistema de CC pode dar origem ao fluxo de um componente de CC residual.
Este componente pode perturbar o funcionamento de determinados
dispositivos de protecção, principalmente RCDs utilizados para a protecção de
pessoas.
Protecção contra contactos directos
Todas as instalações de UPSs da Schneider Electric satisfazem os requisitos
aplicáveis porque o equipamento está instalado em gabinetes que fornecem um
grau de protecção IP 20. Esta situação acontece mesmo quando a bateria está num
gabinete.
Quando a bateria não está instalada num gabinete (geralmente numa sala especial),
devem ser implementadas as medidas apresentadas no final deste capítulo.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 35
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
Protecção contra contactos indirectos
Selecção de um esquema de ligação à terra do sistema
Uma medida básica de protecção exigida pelas normas é a criação de um esquema
de ligação à terra do sistema normalizado para a montante e a jusante da UPS. Os
dois sistemas podem ser o mesmo ou diferentes se forem tomadas determinadas
precauções.
Numa instalação existente à qual a UPS é acrescentada, o sistema a montante já
está definido. A selecção do sistema a jusante, quer o mesmo ou um diferente,
depende da compatibilidade com as cargas sensíveis.
A tabela na página anterior fornece os elementos necessários para comprar os
vários esquemas normalizados de ligação à terra do sistema.
) Atenção, os regulamentos locais podem proibir determinados tipos de esquemas
de ligação à terra do sistema.
Selecção dos dispositivos de interrupção
Além da interligação e ligação à terra das peças condutoras expostas em
conformidade com um esquema de ligação à terra do sistema normalizado, a
protecção das pessoas tem de ser assegurada por dispositivos de interrupção, de
acordo com o esquema de ligação à terra do sistema. Estes dispositivos têm de
accionar os dispositivos de protecção de sobrecorrente no caso de uma falha de
isolamento.
O accionamento pode:
• ser directamente provocado por definições adequadas nos dispositivos de
sobreprotecção (disjuntores, fusíveis),
• ou pode necessitar (obrigatório para o sistema IT) da utilização de
dispositivos de corrente residual (RCU) que podem ou não ser montados no
disjuntor de circuito.
Os RCDs são necessários para detetar as correntes de falha de isolamento que
geralmente são muito baixas para accionar dispositivos de protecção de
sobrecorrente normalizados.
) Consulte os requisitos locais em relação à segurança das instalações eléctricas.
Tipos de sistemas para UPSs
Os sistemas possíveis dependem:
• do sistema a montante seleccionado ou existente da UPS,
• do sistema a jusante da UPS, para o qual a selecção pode ser determinada:
-pela reutilização do mesmo sistema do que o sistema a montante,
-pela presença de transformadores de isolamento a montante e a jusante, que
tornam possível a alteração do esquema de ligação à terra do sistema,
- pelas cargas (ex. sistemas informáticos necessitam de um sistema TN-C ou TN),
- pela organização do sistema de distribuição a jusante, com comutadores de
transferência estática (STS),
• de determinados requisitos impostos pelas normas, por exemplo o PE do
condutor de protecção ou PEN pode nunca ser interrompido para garantir
fluxo de corrente de falha. Pode ser instalado a montante um sistema TN-C
(PEN não interrompida) de um sistema TN-S (condutores separados N e PE),
mas não o contrário.
See WP 98 Î
As UPSs são cada vez mais concebidas sem transformadores, oferecendo
vantagens em termos de peso, tamanho e eficiência. A tecnologia sem
transformador também torna possível modular a tensão para uma melhor adaptação
a todos os tipos de cargas, em particular as cargas não lineares com harmónicas.
A tecnologia sem transformador tem um impacto na utilização dos esquemas de
ligação à terra do sistema. Para obter mais informações, consulte Nota de Aplicação
– NA 98:
"A Eliminação dos Transformadores de Isolamento nos Sistemas de Alimentação de
Centros de Dados").
Existem muitos casos dependendo dos esquemas de ligação à terra a montante e a
jusante e do tipo de UPS. O seu representante Schneider Electric tem um conjunto
completo de diagramas para todos os esquemas de ligação à terra do sistema e
gamas de UPSs.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 36
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
As gamas Galaxy PW e Galaxy 9000 foram concebidas com transformadores de
isolamento. Todas as outras gamas utilizam tecnologia sem transformadores, com o
neutro recriado electronicamente.
As seguintes páginas mostram alguns exemplos das UPSs Galaxy PW e Galaxy
5000, 7000 e 9000. Para outros casos, contacte o seu representante Schneider
Electric para obter o diagrama aplicável.
Transformador de saída
(Galaxy PW e 9000)
Sem transformador de saída
(Galaxy 5000 e 7000))
Entradas separadas de bypass de CA e normal.
Entradas comuns BP e
normais.
Fig. 1.28. Diagramas padrão.
Sistemas idênticos a montante e a jusante
Mesmo sistema a montante e a jusante
IT, TT ou TN-S.
Neutro distribuído pelas duas linhas.
Mesmo sistema a montante e a jusante
IT, TT ou TN-S.
Neutro distribuído apenas na linha de bypass.
Mesmo sistema a montante e a jusante
TN-C
Mesmo sistema a montante e a jusante
IT, TT ou TN-S.
Neutro distribuído.
Galaxy PW e 9000
Galaxy 5000 e 7000
Fig. 1.29. Alguns exemplos com o mesmo sistema a montante e a jusante.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 37
Esquemas de ligação à terra do sistema
(Cont.)
Sistemas diferentes a montante e a jusante
Alteração nos sistemas de ligação à terra
a IT, TT ou TN-S a jusante.
Neutro distribuído pelas duas linhas.
Alteração nos sistemas de ligação à terra
a IT, TT ou TN-S a jusante.
Neutro distribuído pelas duas linhas.
Alteração nos sistemas de ligação à terra
a TN-C a jusante.
Alteração nos sistemas de ligação à terra
a TN-C a jusante.
Galaxy PW e 9000
Galaxy 5000 e 7000
Fig. 1.30. Alguns exemplos com o sistema diferente a montante e a jusante.
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09/2015 edition
p. 38
Protecção
Protecção utilizando
disjuntores
O sistema de protecção para instalações com unidades UPS apresentadas aqui irá
implementar disjuntores. Segue uma apresentação das características principais dos
disjuntores e das respectivas unidades de activação. O número da peça referido
como exemplo diz respeito aos disjuntores da Schneider Electric. Outras
características, como corrente e esforço térmico limitado, estão entre os pontos mais
fortes da gama de disjuntores Compact NSX, mas não serão tratadas neste
documento.
Î Para obter mais informações, consulte o catálogo de distribuição de média e
baixa tensão da Schneider Electric e o “Guia de Instalação Eléctrica”.
Unidades de activação
Tecnologia
Existem dois tipos de unidades de activação:
• termo-magnética,
• electrónica.
Construção
• incorporada (apenas termo-magnética).
• intermutável.
Comparação
As unidades de activação termo-magnéticas são simples e acessíveis.
As unidades de activação eléctrica oferecem mais definições precisas e completas
para uma adaptação melhor às instalações e aos seus requisitos.
A tabela abaixo resume as características dos dois tipos de unidades de activação
para disjuntores, desde 1 a 630 A e deve permitir a resolução da maioria dos
problemas detectados (desde 1 a 400 kVA).
A figura 1.31 apresenta as curvas características das unidades de activação.
Protecção
Símb. Definição
Protecção de
Ir
sobrecarga (atraso
térmico ou longo) (1)
Atraso longo (2)
tr
Protecção de curtocircuito
(atraso curto ou
magnético) (3)
Atraso curto (4)
Protecção de curtocircuito, activação
instantânea (5)
Im
ou
Isd
tm
ou
tsd
Ii
Disponibilidade
Definição de corrente em
sobrecarga.
Todas as unidades de
activação.
Aplica-se ao atraso logo de
activação (por ex. para arranque do
motor).
Definição da corrente em curtocircuito. Em unidades de activação
electrónica, lsd é uma função de Ir
(geralmente 2 a Ir).
Aplica-se a um atraso de activação
curto (por ex. para discriminação
de tempo com disjuntor a jusante).
Definição de curto-circuito
instantâneo.
Depende exclusivamente da
classificação da unidade de
activação (por exe. protecção de
comutadores estáticos).
Unidades de activação
electrónicas (por ex.
Micrologic 2, 5, 6).
Todas as unidades de
activação.
Unidades de activação
electrónicas (por ex.
Micrologic 5, 6).
Unidades de activação
electrónicas (por ex.
Micrologic 5, 6).
(1) lr é o limite de protecção térmica (por vezes escrito lth) das unidades de activação termomagnéticas ou o limite de protecção do atraso longo das unidades de activação electrónicas.
Estes limites são definidos por uma curva de tempo inverso que depende da definição
seleccionada.
(2) tr é o atraso de tempo da protecção térmica do atraso longo para um determinado valor de
lr.
(3) lm é o limite magnético das unidades de activação termo-magnéticas e lsd é o limite de
atraso curto das unidades de activação electrónicas.
(4) tm é o atraso de tempo (ajustável ou fico) da protecção magnetic das unidades de
activação termo-magnéticas e tsd é o atraso de tempo (geralmente ajustável) da protecção de
atraso curto das unidades de activação electrónicas.
(5) li é o limite de activação instantânea.
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09/2015 edition
p. 39
Protecção (cont.)
Fig. 1.31. Curvas de tempo/corrente do disjuntor (lcu é a capacidade de interrupção
final).
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09/2015 edition
p. 40
Protecção (cont.)
Discriminação, cascata e limitação de corrente
Discriminação
A discriminação resulta da selecção e definição do disjuntor correcto de tal forma
que, se ocorrer uma falha, só activa o primeiro disjuntor a montante.
Assim, a discriminação limita a parte da instalação afectada pela falha ao mínimo
exacto. A tabela abaixo resume vários tipos de discriminação e a página anterior
ilustra-os.
Limitação de corrente
Quando uma elevada corrente de falha chega ao disjuntor, os contactos do disjuntor
separam-se sob as forças electrodinâmicas, é criado um arco e a sua resistência
limita a energia do curto-circuito.
Cascata
Quando ocorre um curto-circuito a jusante da instalação (ver fig. 1.32), a corrente de
falha também passa pelo disjuntor a montante que limita a corrente, atenuando
assim a corrente aplicada ao disjuntor a jusante. A capacidade de interrupção do
último é reforçada.
Discriminação
Discriminação de
corrente
Inclui
Todos os tipos
de unidades de
activação
Discriminação de
tempo
Apenas
unidades de
activação
electrónicas
(por ex.
Micrologic)
Compact NSX e A pressão do arco a montante não é
NS
suficiente para activar o disjuntor a
montante, mas é suficiente para activar o
disjuntor a jusante.
Activação a montante dos atrasos se
Compact
também for detectado curto-circuito a
NSX 100 a
Masterpact com jusante.
Um cabo liga as unidade de activação a
unidade de
montante e a jusante.
activação
Micrologic
Discriminação de
energia
Bloqueio por zona
Princípio
A corrente de falha é inferior à definição do
limite a montante.
lr a montante > lr a jusante e lm ou lsd a
montante > lm ou lsd a jusante
Activação a montante dos atrasos por um
longo tempo (lr) e atraso a curto tempo (lm
ou lsd).
Fig. 1.32. Discriminação e cascata a jusante/a montante.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 41
Protecção (cont.)
Selecção dos disjuntores
Classificação
A classificação seleccionada (corrente nominal) para o disjuntor tem de ser a
classificação mesmo acima da corrente nominal do cabo a jusante protegido.
Capacidade de interrupção
Tem de seleccionar a capacidade de interrupção mesmo acima da corrente de
curto-circuito que pode ocorrer no ponto de instalação.
Limites lr e lm
A tabela que se segue indica a forma como determinar os limites lr e lm para
garantir discriminação, dependendo das unidades de activação a jusante e a
montante.
Observação.
Deve ser um técnico qualificado a implementar a discriminação de tempo, porque o
tempo atrasa antes da activação aumentar o esforço térmico (I2t) a jusante (cabos,
semi-condutores, etc). É necessário ter em atenção se a activação de CB2 é
atrasada utilizando o atraso de tempo limite lm.
A discriminação de energia não depende da unidade de activação, só do disjuntor.
Os limites Ir e Im dependem das unidades de activação a montante e a jusante
Tipo de circuito a
jusante
Rácio a
montante lr / a
jusante lr
unidade de activação a todos os tipos
jusante
distribuição
> 1.6
motor assincrónico
>3
Rácio a montante Rácio a montante
lm / a jusante lm lm / a jusante lm
magnético
electrónico
>2
>2
> 1.5
> 1.5
Caso especial de curto-circuitos do gerador
A figura 1.33 mostra a reacção de um gerador a um curto-circuito.
Para evitar qualquer incerteza em relação ao tipo de excitação, iremos activar no
primeiro pico (3 a 5 ln como X"d) utilizando a definição de protecção lm sem um
atraso de tempo.
Fig. 1.33. Gerador durante um curto-circuito.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 42
Protecção (cont.)
Exemplo
Considere o exemplo utilizado para determinar a potência nominal da UPS (Cap. 1
p. 21) com um número de cargas trifásicas ligadas em paralelo de 400 V,
nomeadamente:
• Sistema informático – S1 4 x 10 kVA, λ = 0,6, corrente de pico 8 In durante
quatro períodos (80 ms),
• Controlador de velocidade variável - S2 = 20 kVA, λ = 0,7, corrente de pico 4
In durante cinco períodos
(100 ms),
• Transformador de isolamento - S3 = 20 kVA, λ = 0,8, corrente de pico 10 In
durante seis períodos (120 ms).
As três cargas representam 54 kW com um factor de potência de 0,68.
No capítulo 1, p. 21, foi seleccionado um Galaxy PW, com uma potência nominal de
100 kVA, I = 100 / (400 x 3 ) = 144 A.
Transformador 630 kVA
Gerador 400 kVA
Determinar CB1 e CB2
Potência nominal de saída
aparente
100 kVA
In = 144 A
Factor de potência à saída
da UPS para todas as
cargas
λ = 0.68
Determinar o CB3 mais
potente para
discriminação
Potência total consumida
pelas cargas
P (kW) = 54 kW
40 kVA
λ = 0.6
20 kVA
λ = 0,7
20 kVA
cos ϕ = 0,8
Potência máxima activa de
saída (que a UPS possa
fornecer às cargas)
λ Sn (kVA) = 68 kW
Fig 1.34. Exemplo de uma instalação.
O objectivo é seleccionar disjuntores CB1 e CB2, e o disjuntor mais potente CB3
compatível com os requisitos de discriminação, dado que a instalação a montante
inclui o seguinte:
• Transformador 20 kV / 400 V com potência nominal de 630 kVA,
• Gerador a motor de 400 V com potência nominal de 400 kVA,
• Transformador para ligação MLVS, cinco metros de cabo de alumínio 4 x 240
mm2 por fase,
• Terminais da ligação do disjuntor, quatro metros utilizando três barras de
cobre de 400 mm² por fase.
Cálculo das classificações de CB1 e CB2 e capacidades de
interrupção
A capacidade de interrupção depende das correntes de curto-circuito a jusante do
CB1 e CB2 ao nível do quadro de comutação principal de baixa tensão (MLVS).
Geralmente, este valor de curto-circuito a montante é fornecido pelo utilitário.
Também pode ser calculado. É necessário determinar a soma R das resistência a
montante e a soma X das reactâncias a montante do ponto em questão.
A corrente trifásica de curto-circuito é calculada da seguinte forma:
U
Isc 3-ph =
3 R2 + X 2
U é a tensão sem carga fase-a-fase (tensão de carga + 3 a 5%).
R = Σ Rupstream e X = Σ Xupstream
Neste exemplo, indicamos o método geral com várias simplificações para abreviar
os cálculos.
Î Para obter informações mais detalhadas, consulte o documento nº 158 do
Caderno Técnico “Cálculo das correntes de curto-circuito” da Schneider Electric.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 43
Protecção (cont.)
Sistema a montante
Ra, Xa
Fontes
Rtr Xtr
Saída de fonte para ligação de cabo
MLVS
Rc, Xc
Disjuntor geral
Rd, Xd
Terminais MLVS
Rb, Xb
Fig. 1.35. Cálculo da corrente de curto-circuito para CB2 e CB2.
É necessário calcular as resistências e as reactâncias a montante do CB1 e CB2 na
figura 1.34.
Sistema de distribuição a montante do transformador
• Psc = potência de curto-circuito a montante = 500 MVA = 500 x 106 VA
• U20 = tensão sem carga fase-a-fase na bobina do secundário do
transformador = 400 V, + 3%, ou seja, 410 V
• Rup = resistência a montante ≈ 15% Xup, Xup dado insignificante
• Xup = reactância a montante em relação à bobina do secundário do
transformador
Xup =
U202
410 2
=
= 0,288 mΩ
Psc
500 x 10 6
Rup ≈ 0
e
Xup = 0,33 mΩ.
Transformador
•
•
•
•
Sn = potência nominal aparente 630 kVA
In = corrente nominal = 630 / U 3 = 630 103 / (400 x 3 ) = 909 A
Usc = tensão do curto-circuito do transformador = 4%
Pcu = perdas de cobre do transformador em VA
Pcu
Rtr = resistência do transformador =
≈ 20% Xtr, Ztr dado insignificante
3 In2
Xtr ≈ Ztr = impedância do transformador =
mΩ
Rtr ≈ 0
e
U20 2
x Usc = 4102 x 0,04 / 630 103 = 10,7
Sn
Xtr = 10,7 mΩ.
Cabos de ligação do transformador ao MLVS
• 5 metros de comprimento
• Secção cruzada 240 mm²
• ρ = resistividade à temperatura normal dos condutores
cobre: ρ = 22,5 mΩ.mm2/m, alumínio: ρ = 36 mΩ.mm2/m
• Xc = reactância do condutor (geralmente 0,08 mΩ/m) = 0,08 x 5 = 0,4 mΩ
L
Rc = resistência do cabo (cobre) = ρ
= 22,5 x 5 / (4 x 240) = 0,12 mΩ
S
Rc = 0,12 mΩ e Xc = 0,4 mΩ.
Disjuntor geral
Valores típicos
Rd ≈ 0 e Xd = 0.15 mΩ.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 44
Protecção (cont.)
Terminais
• Xb = reactância do terminal (geralmente 0,15 mΩ/m) = 0,15 x 4 = 0,6 mΩ
• Rb = resistência do terminal = ρ L / S= 22,5 x 4 / (3 x 400) = 0,075 mΩ
(insignificante)
Rb ≈ 0
e
Xb = 0,6 mΩ.
Transformador Isc ao nível do CB1 e CB2
• R = Total de resistência a montante = 0,12 mΩ
• X = Total de reactância a montante = 0,33 + 10,7 + 0,4 + 0,15 + 0,6 =12,18 mΩ
R pode ser ignorado, determinado X.
U
U
410
Isc 3-ph =
≈
=
= 19,4 kA
2
2
3
X
3
12
x
.18 x 10 − 3
3 R +X
Nota. É disponibilizada uma estimativa aproximada pela corrente de curto-circuito
nos terminais do transformador, tendo em conta que a potência de curto-circuito a
montante é infinita.
ISCT = em terminais do transformador = In / Usc = 20 In = 20 x 909 = 18,2 kA
Gerador Isc ao nível do CB1 e CB2
• potência nominal aparente do gerador – 400 kVA
• corrente nominal do gerador = 400 / U
3 = 400 103 / (400 x 3 ) = 577 A
• X"d = tensão de curto-circuito do gerador = 10%
Está determinado a activar aos 5 In (ver fig. 1.33).
ISCG = nos terminais do gerador = 5 In = 5 x 577 = 2,9 kA
Corrente contínua do CB1
É a corrente à entrada da UPS. É necessário multiplicar a classificação da UPS por
1,2, para ter em conta a eficiência, ou seja, 120 kVA.
Iinput = 120 / U
3 = 120 103 / (400 x 3 ) = 173 A
Corrente contínua do CB2
É a corrente contínua das cargas fornecidas através do bypass, ou seja, 54 kW com
um factor de potência de 0,68 para uma potência aparente S = 54 / 0,68 = 67,5 kVA
Iload = 67,5 / U
3 = 120 103 / (400 x 3 ) = 97 A
Corrente da aplicação de energia da carga maior
Tem de ser aplicada energia às cargas em tempos diferentes. A corrente de pico
maior é a do transformador de 20 kVA, ou seja, In = 28,8 A e 10 In = 288 A - 120
ms.
O cálculo da corrente máxima do comutador estático
É a corrente de curto-circuito ao nível do CB3, que equivale praticamente à do CB2.
Parâmetros de selecção
A tabela que se segue resume os vários valores calculados.
Parâmetro
Valor
corrente de curto-circuito do transformador
19,4 kA
corrente de curto-circuito do gerador
2,9 kA
corrente do rectificador (entrada da UPS)
173 A
corrente contínua de carga a jusante da UPS
97 A
corrente de aplicação de energia da carga maior
288 A - 120 ms
corrente máxima do comutador estático
19,4 kA
Características do CB1 e CB2
Característica
Capacidade de interrupção
D1
D2
> 19,4 kA, ou seja, 25 kA > 19,4 kA, ou seja, 25
kA
Corrente contínua
> 173 A, ou seja, 200 A > 97 A, ou seja, 125 A
Limite lr
> 173 A +20%
> 97 A + 20%
Limite lm
> 173 A + 20% e
> 288 A +20% e
< 2,9 kA - 20%
< 2,9 kA - 20%
20% representa o intervalo de tolerância típico das definições do disjuntor.
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09/2015 edition
p. 45
Protecção (cont.)
Características do disjuntor de CB3 mais potente possível
Fontes
Disjuntores de entrada
Bypass estático
Impedância insignificante
Disjuntores de saída
Isc no CB3 ≈ Isc no CB2
Fig. 1.36. Cálculo da corrente de curto-circuito no CB3.
Funcionamento com potência do bypass
• Capacidade de interrupção
A corrente de curto-circuito maior a jusante do CB3 é praticamente a do CB2,
porque considera-se que os circuitos de saída estão próximos da UPS.
Consequentemente, a capacidade de interrupção do CB3 também é de 25 kA.
• A classificação é determinada pela carga maior, ou seja, 4 x 10 kVA do
sistema informático com uma corrente contínua de:
3 = 40 103 / (400 x 3 ) = 57 A
Deve seleccionar-se um dispositivo de 60 A.
• Definições
A maioria das cargas é do tipo de distribuição, ou seja, o limite lr do CB3 tem de ser
inferior a 97 A / 1,6, ou seja, < 61 A.
O limite lm tem de ser inferior a 1847 / 2, ou seja, < 900 A.
Iload = 40 / U
Funcionamento sem potência do bypass
Neste caso, a UPS em curto-circuito limita a sua corrente a 2,33 ln durante um
segundo.
Para as UPSs da Schneider Electric UPSs da gama Galaxy, os resultados
experimentais determinaram que a classificação mais elevada do CB3 tem de ser
inferior a 0,5 ln para garantir discriminação.
É o caso do disjuntor para as cargas do computador.
60 A < 0,5 x 144= 72 A
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 46
Cabos
Selecção dos tamanhos do
cabos
Aumento da temperatura do cabo e quedas de tensão
A secção cruzada dos cabos depende:
• do aumento de temperatura tolerável
• da queda de tensão tolerável.
Para uma determinada carga, cada um destes parâmetros resulta numa secção
cruzada mínima tolerável. Deve ser utilizada o maior dos dois.
Ao encaminhar cabos, é necessário ter cuidado para manter as distâncias exigidas
entre os circuitos de controlo e os circuitos de potência, para evitar perturbações
causadas por correntes de AF.
Aumento da temperatura
O aumento da temperatura tolerável nos cabos está limitado à capacidade de
resistência de isolamento do cabo.
O aumento da temperatura nos cabos depende do:
• tipo de núcleo (Cu ou AI),
• método de instalação,
• número de cabos em contacto.
As normas exigem, para cada tipo de cabo, a corrente máxima tolerável.
Quedas de tensão
Valores máximos
As quedas máximas de tensão toleráveis são:
• 3% para circuitos de CA (50 ou 60 Hz),
• 1% para circuitos de CC.
Tabelas de selecção
As tabelas que se seguem indicam a queda de tensão em percentagem para um
circuito constituído por 100 metros de cabo de cobre. Para calcular a queda de
tensão num circuito com um comprimento L, multiplique o valor na tabela por L/100.
Se a queda de tensão exceder os 3% num circuito trifásico ou 1% num circuito de
CC, aumente a secção cruzada dos condutores até o valor estar dentro das
tolerâncias.
Queda de tensão para cabos de 100 metros
• Sph – a secção cruzada dos condutores
• In – corrente nominal dos dispositivos de protecção no circuito
Circuito trifásico (condutores de cobre)
50-60 Hz - 400 V trifásico, cos ϕ = 0,8, sistema + N 3-ph equilibrado
2
Sph (mm ) 10
16
25
35
50
70
95
120 150
In (A) 10
0.9
16
1.2
20
1.6
1.1
25
2.0
1.3
0.9
32
2.6
1.7
1.1
40
3.3
2.1
1.4
1.0
50
4.1
2.6
1.7
1.3
1.0
63
5.1
3.3
2.2
1.6
1.2
0.9
70
5.7
3.7
2.4
1.7
1.3
1.0
0.8
80
6.5
4.2
2.7
2.1
1.5
1.2
0.9
0.7
100 8.2
5.3
3.4
2.6
2.0
2.0
1.1
0.9
0.8
125
6.6
4.3
3.2
2.4
2.4
1.4
1.1
1.0
160
5.5
4.3
3.2
3.2
1.8
1.5
1.2
200
5.3
3.9
3.9
2.2
1.8
1.6
250
4.9
4.9
2.8
2.3
1.9
320
3.5
2.9
2.5
400
4.4
3.6
3.1
500
4.5
3.9
600
4.9
800
1000
Para um circuito trifásico de 230 V, multiplique o resultado por 3 .
Para um circuito monofásico de 208/230 V, multiplique o resultado por 2.
Schneider Electric
09/2015 edition
185
0.8
1.1
1.3
1.7
2.1
2.7
3.4
4.2
5.3
240
300
0.9
1.2
1.4
1.9
2.3
2.9
3.6
4.4
6.5
0.9
1.2
1.5
1.9
2.4
3.0
3.8
4.7
p. 47
Cabos (cont.)
Circuito de CC (condutores de cobre)
2
Sph (mm ) 25
In (A) 100 5.1
125
160
200
250
320
400
500
600
800
1000
1250
35
3.6
4.5
50
2.6
3.2
4.0
70
1.9
2.3
2.9
3.6
95
1.3
1.6
2.2
2.7
3.3
120
1.0
1.3
1.6
2.2
2.7
3.4
150
0.8
1.0
1.2
1.6
2.2
2.7
3.4
185
0.7
0.8
1.1
1.3
1.7
2.1
2.8
3.4
4.3
240
0.5
0.6
0.6
1.0
1.3
1.6
2.1
2.6
3.3
4.2
5.3
300
0.4
0.5
0.7
0.8
1.0
1.3
1.6
2.1
2.7
3.4
4.2
5.3
Caso especial para condutores neutros
Nos sistemas trifásicos, a terceira ordem harmónica (e os seus múltiplos) de cargas
monofásicas são acrescentados no condutor neutro (soma das correntes nas três
fases).
Por esta razão, aplica-se a seguinte regra – secção cruzada neutra – 1,5 x secção
cruzada da fase.
Exemplo do cálculo
Vamos considerar um circuito trifásico de 400 V e 70 metros, com condutores de
cobre e uma corrente nominal de 600 A.
A norma IEC 60364 indica, dependendo do método de instalação e da carga, uma
secção cruzada mínima. Devemos assumir que a secção cruzada mínima é de 95
mm2.
Primeiro é necessário verificar se a queda de tensão não excede os 3%.
A tabela para circuitos trifásicos na página seguinte indica, para um fluxo de
corrente de 600 A num cabo de 300 mm2, uma queda de tensão de 3% para 100
metros de cabo, ou seja, para 70 metros:
3 x 70/100 = 2,1%, inferior ao limite de 3%.
Pode aplicar-se um cálculo idêntico para uma corrente de CC de 1000 A num cabo
de 10 metros com uma secção cruzada de 240 mm². A queda de tensão para 100
metros é 5,3%, ou seja, para dez metros.
5,3 x 10/100 = 0,53%, inferior ao limite de 1%.
Exemplo de uma instalação
Fig. 1.37. Ligação dos cabos.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 48
Armazenamento de energia
Tecnologias de
armazenamento
Armazenamento de energia nas UPSs
As UPSs necessitam de um sistema de armazenamento de energia para fornecer o
inversor com potência se a potência dos serviços da rede de distribuição de energia
eléctrica pública falhar ou deixar de estar entre as tolerâncias.
A energia armazenada tem de ter as seguintes características:
• Electricidade que esteja disponível de imediato para passar pelos microdijustores, pequenas quedas de tensão e interrupções dos serviços da rede de
distribuição de energia eléctrica pública,
• Nível de potência suficiente para alimentar toda a carga, ou seja, uma
classificação equivalente à do próprio sistema UPS,
• tempo de reserva, geralmente cerca de dez minutos, adequado às
necessidades das cargas e a quaisquer outras fontes disponíveis (ou seja,
gerador a motor para longos tempos de reserva).
Fig. 1.38. Diagrama simplificado de uma UPS com armazenamento de energia de reserva.
Tecnologias disponíveis
As várias tecnologias disponíveis actualmente são as seguintes:
• baterias:
- ácido-chumbo selada,
- ácido-chumbo ventilada,
- cádmio de níquel,
• ultracondensadores,
• volantes:
- unidades tradicionais activadas a baixas velocidades (1500 rmp) e combinadas
com geradores a motor,
- unidades de velocidade média (7000 rpm) ou alta velocidade (30 a 100 000 rpm).
Comparação das tecnologias
See WP 65 Î
As baterias são de longe a solução mais utilizada hoje.
São a solução dominante devido ao baixo custo, eficiência comprovada e
capacidade de armazenamento, mas apesar disso tem várias desvantagens em
termos de tamanho, manutenção e ambiente.
Os utlracondensadores ainda não oferecem os níveis de desempenho necessários.
Os volantes que funcionam a alta velocidade constituem uma tecnologia possível
em termos das potências nominais (40 a 500 kW), para tempos de reserva curtos
(12 segundos a 1 minuto).
A figura 1.39 mostra os campos de aplicação das diferentes tecnologias.
Î Para obter mais informações, consulte A Nota de Aplicação NP 65: “Comparar
Baterias de Centros de Dados, Volantes e Ultracondensadores”.
Fig. 1.39. Características em termos de classificações de potência e tempos de reserva.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 49
Armazenamento de energia (cont.)
A seguinte tabela compara as diferentes soluções em termos de capacidade de
forma a cumprir os requisitos de armazenamento de energia das UPSs estáticas.
Critérios de comparação
Tecnologia
Baterias de
ácido-chumbo
selada
Baterias de
ácido-chumbo
ventilada,
Baterias de
Ni/Cad
Ultracondensad Volantes
ores
Potência
****
****
****
*
***
Tempo de reserva
***
****
*
*
**
5 minutos até
várias horas
5 minutos até
várias horas
5 minutos até
várias horas
poucos segundos
uma dúzia de
segundos
****
***
**
*
*
baixo
baixo a médio
alto
Custo multiplicado
por 2 ou 3 em
comparação a
baterias, para 10
segundos de tempo
de reserva
custo multiplicado
por 8 em
comparação a
baterias, para 10
segundos de tempo
de reserva
Preço de compra
Implementação / instalação / arranque
Necessita de uma sala especial
Temperatura
Vida útil
Área
Manutenção
Frequência / tempo necessário
***
**
*
****
**
não
sim
sim
não
sim
*
**
**
***
*
**
**
**
**
***
**
*
****
****
****
****
***
***
***
*
baixo
médio
alto
nenhum
longos tempos de
manutenção
Maturidade da tecnologia para UPSs
****
****
****
**
***
**** excelente *** bom ** razoável
* fraco
Volantes
Schneider Electric oferece sistemas de armazenamento de energia com volante a
pedido.
Esta solução é adequada para complementar baterias, porque pode ser utilizada em
perturbações curtas sem activar a energia da bateria, preservando assim a bateria.
É possível utilizar sem bateria, mas o tempo de reserva só dura uma dúzia de
segundos. Para determinadas aplicações, esse tempo de reserva é insuficiente para
iniciar um gerador a motor.
Selecção de uma
bateria
Tipos de baterias
As baterias utilizadas mais frequentemente em UPSs são:
• baterias de ácido-chumbo seladas, também denominadas baterias
(recombinação de gás),
• baterias de ácido-chumbo ventiladas,
• baterias de cádmio de níquel.
As baterias de polímero de lítio estão a ser analisadas para serem utilizadas em
UPSs. Devem estar disponíveis soluções com esta tecnologia em dois ou três anos.
Î Tipos de baterias, ver Cap. 5 p. 32 "Armazenamento de energia – Tipos de
baterias".
Para utilização em conjunto com as gamas UPS, a Schneider Electric recomenda
baterias de ácido-chumbo seladas.
A selecção de uma bateria depende dos seguintes factores:
• requisitos e condições de funcionamento (sala especial, gabinete da bateria,
prateleiras, etc.),
• tempo de reserva necessário,
• custos.
Tempo de reserva
A Schneider Electric oferece:
• tempos de reserva padrão de 5, 10, 15 ou 30 minutos,
• tempos de reserva personalizados, que podem chegar a várias horas.
A selecção depende:
• da duração média das falhas de potência do sistema,
• de quaisquer fontes disponíveis que ofereçam tempos de reserva longos
(gerador a motor, etc.),
• do tipo de aplicação.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 50
Armazenamento de energia (cont.)
Aplicam-se as seguintes regras gerais.
• Sistemas informáticos
O tempo de reserva da bateria tem de ser suficiente para abranger os
procedimentos necessários para guardar ficheiros e encerrar o sistema, para
garantir um encerramento controlado do sistema informático. Na prática, o
departamento informático determina o tempo de reserva necessário, dependendo
dos respectivos requisitos específicos.
• Processos industriais
O cálculo do tempo de reserva deve incluir o custo económico incorrido por uma
interrupção no processo e o tempo necessário para a reiniciação.
• Aplicações que exigem tempos de reserva longos
Se ocorrerem interrupções longas, pode utilizar um gerador a motor para fazer de
reserva a uma bateria, evitando a necessidade de baterias de grandes dimensões.
Na prática, a utilização de um gerador a motor é aceitável para tempos de reserva
superiores a 30 minutos a uma hora. Esta combinação deve ser analisada com
atenção para optimizar a classificação do gerador e para garantir o funcionamento
correcto.
Î Combinação com um gerador a motor, ver Cap. 5 p. 35 “Gerador a motor”.
Vida útil
A Schneider Electric oferece baterias com vidas úteis de 5, 10 anos ou superiores.
Î Vida útil da bateria, ver Cap. 5 p. 33.
Comparação entre tipos de baterias
Baterias de ácido-chumbo seladas (recombinação de gás)
Estas baterias são as mais comuns pelas seguintes razões:
• sem manutenção,
• fácil implementação,
• instalação em todos os tipos de salas (salas dos sistemas informáticos,
salas para dispositivos técnicos não destinadas especificamente a baterias,
etc.).
Baterias ventiladas
Este tipo de bateria (ácido-chumbo ou Ni/Cad) oferece determinadas vantagens:
• vida útil longa,
• tempos de reserva longos,
• elevadas potências nominais.
As baterias ventiladas têm de ser instaladas em salas especiais que cumpram os
regulamentos exactos (ver Cap. 1 p. 51 “Trabalho preliminar”) e necessitam de
manutenção adequada.
Monitorização da bateria
As UPSs da Schneider Electric incluem sistemas avançados de monitorização da
bateria.
Monitorização da bateria nas UPSs Galaxy
DigiBatTM
O sistema de monitorização da bateria DigiBatTM é uma unidade de hardware e
software instalada como padrão nas UPSs da gama Galaxy da Schneider Electric e
oferecem as seguintes funções:
• introdução automática dos parâmetros da bateria,
• vida útil optimizada da bateria,
• protecção contra descargas excessivas,
• regulamentação da tensão flutuante da bateria dependendo da temperatura,
• limitação da corrente da bateria,
• avaliação contínua da potência disponível tendo em conta o tempo de
utilização da bateria, a temperatura e a carga em percentagem,
• previsão da vida útil da bateria,
• testes automáticos e periódicos na bateria, incluindo uma verificação no
circuito da bateria, um teste ao circuito aberto e um teste à descarga parcial,
etc.
Î DigiBat, ver Cap. 5 p. 34 "Gestão da bateria”.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 51
Armazenamento de energia (cont.)
Unidade do Environment Sensor
Os parâmetros de funcionamento da bateria e, especialmente, a temperatura
afectam a vida útil da bateria.
O Environment Sensor, de fácil instalação, combinado com a placa de Gestão de
Rede (SNMP/Web) possibilita a monitorização da temperatura/humidade e o estado
dos dois contactos através de SNMP ou da Web. Também inicia o encerramento de
equipamento, se necessário.
Detecção e prevenção de falha de bateria para UPSs
Galaxy
Apesar das vantagens das baterias de ácido-chumbo seladas, ao longo do tempo
todas as baterias falham, devido ao tempo de utilização. Sem monitorização
rigorosa, a integridade e a capacidade reais de uma bateria permanecem
desconhecidas.
As técnicas de monitorização da bateria têm um elevado impacto na fiabilidade e
podem ser utilizadas para definir a melhor estratégia de substituição, dando origem
a um melhor nível de protecção.
A Schneider Electric também oferece sistemas de monitorização da bateria continua
e célula-a-célula com software e capacidades de comunicação. O utilizador pode
implementar este sistemas ou podem ser integrados na oferta de teleserviço..
Sistema de monitorização da bateria B2000
O sistema B2000 oferece uma monitorização contínua e total dos principais
parâmetros da bateria. Inclui a tensão, a corrente, a temperatura e qualquer impulso
detectado durante os ciclos de carga e descarga. Envia um alarme quando os níveis
de tolerância são ultrapassados. Também está disponível a gravação automática de
descargas, planeada ou não planeada, para análises de dados.
O sistema de monitorização pode ajudar a detectar possíveis problemas antes da
bateria falhar e, desta forma, melhorar a disponibilidade da energia da UPS.
Sistema de monitorização da bateria Cellwatch
A manutenção geral da matéria pode não ser suficiente para garantir o
funcionamento correcto, principalmente para aplicações de missão crítica, onde não
podem ocorrer quaisquer erros.
Entre os testes periódicos (geralmente de três em três meses), uma célula pode
falhar. Uma célula de ácido-chumbo selada regulada pela válvula pode falhar
poucos dias após um teste periódico. A causa é a recção química que ocorrer na
célula após os ciclos de carga e descarga. Estes ciclos ocorrem mesmo se o
sistema de protecção não estiver em funcionamento. Além disso, a corrosão pode
afectar todo o sistema de ligações do conjunto de baterias, no interior ou no exterior
da célula.
Por isso, foi necessário tomar outras precauções além da simples verificação da
tensão. A análise efectuada mostrou que a resistência interna ou a impedância da
célula é um bom indicador do seu estado, porque revela a deterioração e quaisquer
problemas físicos.
O sistema de monitorização Cellwatch utiliza este sistema com base na impedância
da célula para monitorizar cada célula. Fornece monitorização fiável da vida útil de
cada célula.
Sistema de gestão da bateria Schneider Electric para UPSs
SymmetraTM
O sistema de gestão da bateria Schneider Electric, disponível para UPSs da gama
Symmetra da Schneider Electric, garante que as baterias estão totalmente
carregadas e prontas a serem utilizadas. Este sistema de montagem em prateleira
1U e acessível através do navegador combina a monitorização da bateria e os
testes com o carregamento de pico individual para um desempenho máximo da
bateria. A integração no seu sistema de gestão integrado preferido ou a utilização
de um navegador disponibiliza a visibilidade do estado das baterias. Este sistema
possibilita a resolução de problemas antes de afectarem a disponibilidade.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 52
Comunicação e interface homem-máquina
Interface homemmáquina (HMI)
Características gerais
A interface homem-máquina na UPS tem de ser de fácil utilização e com múltiplos
idiomas (ajustável ao idioma do utilizador).
Geralmente é feita de um painel de representação, um painel de estado e de
controlo e um visor alfanumérico. Pode estar disponível um menu de personalização
protegido por palavra-passe para introdução dos parâmetros de instalação e acesso
a informações detalhadas.
Exemplo
O HMI típico disponibiliza as funções listadas em baixo.
Botões On (Ligar) e Off (Desligar)
• retardados para evitar operações incorrectas.
• com uma opção para EPO (emergency power off – desactivação de
emergência).
• independentes em relação ao resto do visor
LEDs de estado que identificam claramente:
• o funcionamento normal (carga protegida),
• modo de funcionamento reduzido (mau funcionamento),
• situações de perigo para a carga (carga não protegida),
• funcionamento na alimentação da bateria.
Alarmes
• alarme sonoro e botão de reposição do alarme sonoro.
• aviso de encerramento da bateria.
• alarme geral.
• falha da bateria.
Um ecrã que fornece:
• acesso às medições
- potência de entrada (tensão, corrente, frequência).
- bateria (tensão, correntes de carga e descarga, tempo de reserva restante,
temperatura)
- saída do inversor (tensão fase-a-neutro, corrente, frequência, potência activa e
aparente, factor de crista).
• acesso aos registos do histórico
- registo incluindo eventos assinalados com horas.
- gráficos de barras e curvas dos valores medidos.
Comunicação
Disponibilidade elevada para aplicações críticas necessita
de equipamento de protecção de comunicação
O sistema UPS, essencial para equipamento de missão crítica, tem de incluir
funcionalidades de comunicação para manter os operadores informados
continuamente, onde quer que estejam, sobre qualquer risco que comprometa
a segurança de funcionamento do sistema, para que possam agir de imediato.
Para garantir a disponibilidade da potência, as funcionalidades de
comunicação da UPS disponibilizam as quatro funções essenciais seguintes:
) Supervisão / monitorização de todas as UPSs instaladas através do software.
) Notificação através da rede e da Internet.
) Encerramento controlado (local ou remoto, automático ou manual) das
aplicações protegidas.
) Teleserviço através de um modem e linha telefónica a um centro de suporte.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 53
Comunicação e interface homem-máquina
(cont.)
Soluções da Schneider Electric
Placas de comunicação
• Placa de gestão de rede (Ethernet)
- Monitorização Web
- Notificação por email
- SNMP MIB e Traps
- Protecção de servidor com Network Shutdown Module
- Supervisão com Enterprise Power Manager ou ISX Central
- Monitorização de ambiente com Environment Sensor (T°, H%, Inputs)
• Modbus – placa Jbus (RS232 e RS485)
- Monitorização
• Placa de teleserviço (Modem)
- Alertas
- Monitorização
- Diagnóstico
- Relatórios
• Placa de relé (contactos)
- Indicações
Software de gestão
• Enterprise Power Manager e ISX Central (software e servidor)
Soluções de software para gerir todas as UPSs instaladas através de redes de
IP, compatibilidade Web e acessíveis a partir de qualquer navegador.
• Kits de Integração NMS (Sistema de Gestão de Rede)
Integração com NMSs, como HP OpenView, IBM Tivoli, CA Unicenter, etc.
• Network Shutdown Module
- Módulo de software para encerramento seguro do sistema.
Fig. 1.40. As placas de comunicação combinadas com o software de supervisão oferecem
uma grande variedade de funções.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 55
Trabalho preliminar
Considerações sobre
instalação
Seguem-se os elementos principais que se deve ter em conta na instalação da UPS:
• planos para modificações do local, qualquer trabalho preliminar
(principalmente para uma sala de bateria), tendo em conta:
- as dimensões do equipamento,
- condições de funcionamento e manutenção (acessibilidade, espaço livre, etc.),
- condições de temperatura têm de ser respeitadas,
- considerações sobre segurança,
- normas e regulamentações aplicáveis,
• ventilação ou ar condicionado das salas,
• criação de uma sala de bateria.
Dimensões
A disposição dos gabinetes e armários da UPS deve basear-se em planos exactos.
As características físicas das UPSs da Schneider Electric que podem ser utilizadas
para preparar os planos são apresentadas no capítulo 4.
Indicam, para cada gama:
• as dimensões e pesos da:
- UPS e gabinetes de bypass centralizado;
- gabinetes da bateria,
- quaisquer gabinetes auxiliares (autotransformadores, transformadores, filtros, etc.),
• espaço livre mínimo necessário para gabinetes e armários para garantir uma
excelente ventilação e um acesso suficiente.
Ventilação, ar condicionado
Requisitos da ventilação
As UPSs foram concebidas para funcionar a um determinado intervalo de
temperatura (0 a 40°C para UPSs da Schneider Electric ) que é suficiente para a
maioria das condições de funcionamento sem modificações.
Contudo, as UPSs e o respectivo equipamento auxiliar produzem calor que pode, se
não forem tomadas quaisquer medidas, aumentar a temperatura de uma sala mal
ventilada.
Além disso, a vida útil de uma bateria depende em grande parte da temperatura
ambiente. As temperaturas entre os 15° C e 25° C ajudam na vida útil. É necessário
ter este factor em conta se a bateria for instalada na mesma sala da UPS.
Uma outra consideração é o facto das UPSs poderem estar instaladas na mesma
sala do que o equipamento informático, que geralmente tem requisitos mais
rigorosos em relação aos intervalos da temperatura de funcionamento.
Seleccionar um tipo de ventilação
Por todas as razões acima mencionadas, é necessária ventilação mínima e quando
aplicável ar condicionado, para evitar quaisquer riscos de aumento de temperatura
excessiva na sala devido ao calor produzido.
A ventilação pode:
• ser natural,
• ser forçada através de um sistema de ventilação,
• ser através da instalação de uma unidade de ar condicionado.
A selecção depende:
• do calor produzido que tem de ser evacuado,
• do tamanho da sala.
As características térmicas das UPSs da Schneider Electric encontram-se indicadas
no capítulo 4 e podem ser utilizadas para calcular as necessidades de ventilação.
Indicam, para cada gama:
• o calor produzido dos gabinetes e quaisquer filtros instalados,
• o volume da saída de ar de um sistema de ventilação.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 56
Trabalho preliminar
Grau de IP do nível de protecção e ruído
Grau de protecção (IP)
As UPSs têm de funcionar num ambiente compatível com o seu grau de protecção
(IP 20 para UPSs da Schneider Electric), definido pela norma IEC 60529/EN 60529.
Deve evitar-se a presença de pó, água e substâncias corrosivas.
Nível de ruído
As UPSs devem produzir um nível reduzido de ruído, adequado à sala onde estão
instaladas.
As condições de medição do nível de ruído indicado pelo fabricante devem estar em
conformidade com a norma ISO 3746 (medição do ruído).
Sala da bateria
Quando possível e se desejado, deve instalar-se a bateria num gabinete.
As dimensões do gabinete para bateria estão indicadas para cada gama de UPS,
dependendo da potência nominal.
Contudo, para UPSs com elevada potência, geralmente as baterias são instaladas
em salas especiais (sala de electricidade).
Deve instalar-se as baterias de acordo com as normas internacionais, as
regulamentações locais e a norma IEC 60364.
Método de instalação da bateria
Seguem-se os critérios que determinam o método de instalação da bateria:
• espaço em solo disponível,
2
• o peso que o solo pode suportar (kg/m ),
• facilidade de acesso e manutenção.
São utilizados os três métodos seguintes.
Bateria instalada directamente no chão
Esta é a disposição mais simples. Contudo, é necessária uma sala de bateria com
grandes dimensões, tendo em conta:
• a grande quantidade de espaço em solo ocupado pela bateria,
• o pavimento de isolamento (plataforma em madeira) é obrigatório se a
tensão exceder os 150 volts.
Bateria em prateleiras
As células da bateria são instaladas em vários níveis diferentes, acima do solo.
Ao determinar a altura entre cada prateleira, é necessário ter em conta o espaço
exigido para verificar os níveis da bateria e encher as células da bateria facilmente.
Recomenda-se uma altura mínima de 450 mm.
Bateria em camadas
Este método de instalação é semelhante ao anterior. É o método mais conveniente
para verificar os níveis da bateria.
Características da sala da bateria
Independentemente do método de instalação seleccionado, a instalação da bateria
tem de estar em conformidade com os seguintes requisitos (os números indicam os
elementos apresentados na figura 1.40).
Piso e paredes (1)
• O piso tem de estar inclinado em direcção a um canal de evacuação, que
termina num recipiente.
• Revestimento de protecção contra ácido no piso e paredes, até uma altura
de pelo menos 0,5 metros.
Por exemplo, asfalto para baterias de ácido-chumbo, PVC ou tinta de cloro para
baterias alcalinas.
Schneider Electric
09/2015 edition
p. 57
Trabalho preliminar
Ventilação (2)
• cálculo de circulação
O volume do ar a ser evacuado depende da corrente de carga máxima e do tipo de
bateria. Em instalações que incluem várias baterias, a quantidade de ar que deve
ser evacuado deve ser acumulativo.
- baterias ventiladas
d = 0,05 x N x Im, em que
d – circulação em metros cúbicos por hora,
N – número de células da bateria
lm – corrente de carga máxima em amperes.
- bateria selada
As condições de ventilação de uma sala destinada a este fim são suficientes.
• segurança
Um dispositivo automático deve parar o carregamento da bateria, se o sistema de
ventilação falhar.
• localização
O ar deve fazer-se circular a partir da parte superior da sala de bateria.
Disposição da células (3)
A disposição deve restringir o contacto simultâneo das duas partes desprotegidas
que apresentam uma tensão maior ou igual a 150 V. Se não for possível cumprir a
condição acima, deve instalar-se protecções terminais e deve efectuar-se ligações
utilizando cabos de isolamento.
Pavimento de acesso (4)
Se a tensão exceder os 150 V, é necessário um pavimento especial. O pavimento
deve ser sólido, com isolamento do piso e deve ter, pelo menos, um metro de
distância em redor da bateria.
Ligação da bateria (5)
As ligações devem ser o mais curtas possível.
Disjuntor de protecção da bateria (6)
Geralmente o disjuntor é instalado num armário montado na parede.
Equipamento contra incêndios (7)
Extintores autorizados que incluem energia, CO2 e areia.
Equipamento de segurança (8)
O equipamento de segurança deve incluir óculos de protecção, luvas e uma fonte de
água.
Equipamento de inspecção (9)
• Hidrómetro.
• Dispositivo de enchimento.
• Termómetro.
Sensores (10)
• Detector de hidrogénio.
• Sensor de temperatura.
Fig. 1.41. Disposição da sala da bateria
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09/2015 edition
p. 58