UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA NO-BREAK, ESTABILIZADOR DE TENSÃO E BATERIAS Orientando: Vitor Teles Correia Orientador Vilson Roiz Gonçalves Rebelo da Silva CURITIBA 2009 VITOR TELES CORREIA NO-BREAK, ESTABILIZADOR DE TENSÃO E BATERIAS Artigo elaborado como parte da avaliação da Disciplina Elaboração de Eletrônica de Potência, ministrada pelo Prof. Vilson Roiz Gonçalves Rebelo da Silva, do Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. CURITIBA 2009 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 4 2 NO- BREAKS ............................................................................................................... 4 2.1 Como funciona o no-break ............................................................................ 4 2.2 Tipo de fonte initerrupta.................................................................................. 6 2.3 Observações de uso......................................................................................... 7 2.4 Composição do no-break ............................................................................... 8 2.5 Proteção de energia 3-5-9 .............................................................................. 10 3 ESTABILIZADORES DE TENSÃO ........................................................................ 11 3.1 Como funciona o estabilizador de tensão....................................................... 11 3.2 Para que serve um estabilizador de tensão .................................................... 11 3.3 Qual a diferença entre Estabilizadores e No-breaks ...................................... 12 3.4 Estabilizadores eletrônicas……………...………………………………..… 13 3.4.1 Estabilizador por Taps ........................................................................... 13 3.4.2 Estabilizador eletrônico linear ou por controle do ângulo de fase dos Tiristores..................................................................................................... 13 4 BATERIAS ................................................................................................................. 14 4.1 O que são baterias.......................................................................................... 14 4.2 Tipos de baterias............................................................................................ 15 5 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 16 6 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 16 1. INTRODUÇÃO Este trabalho tem como objetivo mostrar o conceito e as características e as diferenças dos no-breaks, estabilizadores e baterias. Sistemas ininterruptos de energia, definidos no Brasil através na NBR 15014 da ABNT como no-breaks, são sistemas responsáveis pelo fornecimento de energia condicionada para cargas críticas sem interrupções, mesmo durante uma falta no fornecimento de energia das concessionárias. Um estabilizador de energia possui uma função extremamente importante: proteger o computador contra surtos de energia, evitando assim a queima do equipamento. Um estabilizador de energia padrão faz a corrente elétrica passar da tomada para vários dispositivos elétricos e eletrônicos ligados no cabo de força. Se a tensão da tomada apresentar surtos ou pulsos espúrios - se elevar acima do nível aceitável - o estabilizador de energia desvia a eletricidade extra para o fio terra da tomada. Em ciência e tecnologia, uma bateria é um dispositivo que armazena energia química e a torna disponível na forma de energia elétrica. Baterias consistem de dispositivos eletroquímicos tais como uma ou mais células galvânicas, células combustíveis ou células de fluxos. 2. NO-BREAKS 2.1 Como funciona o no-break O que se espera do sistema de transmissão de energia é uma corrente alternada de 127 volts oscilando a 60 Hertz. Uma fonte de alimentação ininterrupta, também conhecida pelo acrônimo UPS (sigla em inglês de Uninterruptible Power Supply) é um sistema de alimentação elétrico que entra em ação, alimentando os dispositivos a ele ligado, quando há interrupção no fornecimento de energia. O aparelho UPS mais comumente encontrado no mercado é o No-Break, normalmente empregado em computadores de mesa/trabalho (desktop/workstation). O computador tolera pequenas diferenças nesta especificação, mas um desvio muito grande fará a fonte de alimentação de um computador desligar. Sua alimentação é provida por uma bateria, que fica sendo carregada enquanto a rede elétrica está funcionando corretamente. Essa bateria possui uma autonomia, que em geral não é muito grande (nos no-breaks mais comuns, essa autonomia é de algo entre 10 e 15 minutos, dependendo da quantidade de equipamentos utilizados e do modelo do no-break), por isso é indicado a utilização em modo de bateria somente quando à falta de energia, assim mantendo sempre as baterias em carga máxima, para quando for necessário sua utilização. O no-break geralmente protege o computador de quatro problemas diferentes: • surtos de tensão e "spikes" - quando a tensão na linha é maior do que deveria; • afundamento de tensão - quando a tensão na linha é menor do que deveria; • interrupção no fornecimento - quando a linha cai ou um fusível queima em algum lugar do sistema ou do prédio; • alterações de freqüência - quando a tensão varia a uma freqüência diferente de 60 Hertz. Figura 1: Diagrama em blocos – esquema de um no-break Fonte: site www.amplimag.com.br 2.2 Tipos de fonte ininterrupta Existem dois tipos de no-breaks, o online e o off-line. O no-break offline usa a energia da tomada para alimentar o computador até que um problema na rede seja detectado. Neste momento, ele rapidamente liga um inversor de corrente e passa a alimentar o computador com a bateria interna do no-break. O inversor de corrente transforma a corrente contínua da bateria em corrente alternada de 127 volts a 60 Hertz. A única diferença é que o inversor fica ligado continuamente e um circuito de monitoramento que se encarrega de monitorar a tensão e usa a energia do inversor em caso de queda de tensão. São mais comuns para residências e pequenas empresas porque geralmente custam a metade do preço do sistema online. No no-break online, o computador é sempre alimentado pela bateria e ela é recarregada constantemente. Você pode facilmente construir um no-break online usando um carregador de bateria grande, uma bateria e um inversor de corrente. O carregador de bateria produz uma corrente contínua, que o inversor transforma em corrente alternada de 127 volts o tempo todo. Se o fornecimento de energia cair, a bateria alimenta o inversor. No no-break online o tempo de troca para a alimentação por bateria é nulo. Esta é uma fonte de energia bem estável. Esta é a única topologia de no-break que protege a carga contra os seis principais distúrbios da rede elétrica, sempre fornecendo tensão senoidal na saída além de não apresentar interrupção nas transferências de carga. Os sistemas on-line fornecem corrente estável e extremamente limpa, então tendem a ser usados em servidores e para aplicações críticas. Figura 2: Modelo de um no-break fabricado por ADVANCED - Especialista em tecnologia. Fonte: site do fabricante www.advancedbr.com.br 2.3 Observações de uso. Vida útil das baterias em média 2 anos (que é a garantia que muitos fabricantes dão ao cliente na hora da compra), após podem ocorrer falhas e não carregamento correto das baterias e no período de 5 anos a bateria perde totalmente sua capacidade de recarga. Quanto mais equipamentos conectados ao no-break, menos autonomia ele terá, pois estará consumindo mais carga que o necessário. Autonomia é o tempo que a bateria da fonte consegue fornecer energia para o computador depois de um corte do fornecimento através da rede elétrica. Os no-breaks de 800 VA (a média popular é o de 600 VA) equivalem a 350 watts reais, equivalente a um computador e um monitor CRT. Alguns no-breaks alertam quando é ultrapassada esta faixa de potência, sendo por meio sonoro, luminoso ou digital (LCD). Pode-se ligar o no-break em uma régua ou filtro de linha, ou ligar uma régua ou filtro de linha ao no-break. Não é aconselhado a instalação de estabilizadores ao no-break. 2.4 Composição do no-break No-Breaks podem conter tecnologias como: • Dupla conversão: Sistema No-Break composto de módulo retificador conversor, inversor, chave estática e By Pass manual. • By Pass Estático: Chave estática sem tempo de interrupção comuta para rede alternativa em caso de falha do inversor ou sobrecarga. • By Pass Manual: Os equipamentos dispõem de chave manual para By Pass, a fim de efetuar a transferência para a rede alternativa em caso de manutenção preventiva ou corretiva no equipamento, sem interromper o fornecimento de energia à carga crítica. • IGBT no conversor e inversor: Utilizado como uma chave de altíssima confiabilidade, alternando os estados de condução (On-state) e corte (Off-state), controlados pela tensão de gate, esses semicondutores apresentam baixa perda. • Forma de onda senoidal pura: Existem dois tipos de inversores atualmente no mercado: os que produzem onda senoidal modificada e os que produzem onda senoidal pura. A diferença entre eles é grosseira. Os fabricantes que produzem e apresentam seus inversores como sendo de onda senoidal modificada, ou aproximada ou etc., usam apenas de um recurso semântico para confundir o consumidor e fazê-lo pensar que está comprando um produto de saída senoidal. A forma de onda desses equipamentos é quadrada e, por essa razão o seu custo de fabricação é inferior. São short breaks com tempo de interrupção considerável e destinam-se no máximo para aplicações domésticas. O inversor de onda senoidal pura é projetado para fornecer energia de qualidade igual ou superior à fornecida pela concessionária. É recomendável para cargas críticas, que requerem qualidade e confiabilidade no forneci mento de energia ininterrupta. • Retificador: O Retificador é usado para retificar a tensão de Rede AC Principal para alimentar as baterias e o Inversor com tensão DC filtrada e regulada. O Retificador é a fonte de tensão DC para o inversor, e se a Rede AC Principal falhar ou se tornar inadequada o banco de baterias alimentará o Inversor por um tempo limitado, que dependerá da capacidade das baterias e da carga aplicada. Com o restabelecimento da Rede AC principal, o retificador reassumirá a alimentação DC do Inversor. Através do circuito de partida suave (soft-start) o sistema não provocará distúrbios na linha AC. Além de alimentar o Inversor com tensão DC adequada, o Retificador também mantém as baterias carregadas, para isso a tensão DC e a corrente de carga das baterias são continuamente monitoradas pelo circuito de controle que proporcionará uma condição ideal de carga e flutuação das baterias. • Inversor: A função do Inversor é converter a tensão contínua da saída do retificador ou das baterias (DC) em tensão alternada (AC) para alimentar continuamente as cargas em qualquer condição. A tensão DC de saída do retificador e a tensão das baterias estão conectadas simultaneamente à entrada do Inversor (em paralelo). Durante operação normal com a saída do retificador alimentará o Inversor até a plena potência, se necessário, e carregará as baterias. Se o Retificador ou a Rede AC de entrada principal falhar, o banco de baterias assumirá automaticamente a alimentação do inversor até a plena carga por um período limitado de tempo, isto sem interrupção ou “chaveamento” da alimentação do inversor o que assegura alimentação contínua da carga sem distúrbios. A freqüência de saída do inversor é mantida em fase com a rede de alimentação reserva AC (desde que esta esteja dentro dos limites aceitáveis de tolerância normalmente +/- 1%), através de um oscilador de precisão. A saída do inversor e a rede reserva estão conectadas à chave estática. • Chave estática de transferência: A função da chave estática é conectar a carga à saída do inversor ou a rede reserva. Em condições normais de funcionamento a chave estática conecta a carga à saída do inversor. Se a saída do inversor estiver inadequada, ou seja, fora da tolerância de +/- 10% da tensão nominal, a chave estática transferirá a alimentação das cargas para a rede reserva sem interrupção e em fase como explicado no item anterior. Após 20 segundos a chave estática retransfere a carga para a saída do inversor se este retornar às condições nominais. A transferência automática para a rede reserva será inibida se esta estiver fora dos limites de tolerância aceitáveis (normalmente +/- 15%), ou se eventualmente a saída do inversor e a rede reserva não estiverem em fase. 2.5 Proteção de energia 3-5-9 Há nove problemas comuns de energia, demonstrados abaixo. O conceito 3-5-9 esclarece quais tipos de problemas podem surgir na rede elétrica e que podem ser resolvidos por no-breaks, de acordo com cada tipo de problema e situação requerida pelo cliente. Série 3 Uma solução básica que protege dados e hardware não-críticos contra três dos nove principais problemas de energia. Estes UPS operam com tecnologia Off Line. 1 Falha de energia 2 Queda de energia 3 Surto de energia Série 5 Solução intermediária para ambientes de escritório e servidores. Operando com tecnologia Line Interactive, estes UPS oferecem proteção aos cinco principais problemas de energia. 4 Subtensão 5 Sobre Tensão Série 9 Proteção total de energia para aplicações críticas Os UPS Online Dupla Conversão oferecem proteção contra os nove principais problemas de energia. A maioria deles pode ser executada em paralelo, oferecendo assim um “uptime” de 100% nas aplicações mais críticas. 6 Transiente de Comutação 7 Ruído de Linha 8 Variação de Freqüência 9 Distorção Harmônica 3. ESTABILIZADORES DE TENSÃO 3.1 Como funciona o estabilizador de tensão Todo computador deve ser ligado à rede elétrica no mínimo através de um estabilizador de tensão. O estabilizador de tensão é um equipamento responsável por manter a tensão elétrica em sua saída estável, mesmo que haja variações na rede elétrica. Assim, se a rede oferece picos ou está com a tensão acima (sobretensão) ou abaixo (subtensão) do valor ideal, esse equipamento oferece uma compensação e mantém a sua saída com um valor estável, protegendo, assim, o equipamento. Um estabilizador de energia padrão faz a corrente elétrica passar da tomada para vários dispositivos elétricos e eletrônicos ligados no cabo de força. Se a tensão da tomada apresentar surtos ou pulsos espúrios - se elevar acima do nível aceitável - o estabilizador de energia desvia a eletricidade extra para o fio terra da tomada. É um Sistema eletrônico de correção por tapes utilizando “triac” e transformador de ajustes que permite a correção sem interrupção ou micro-cortes da corrente elétrica, com isso, visa essencialmente corrigir variações de tensão que ocorrem na rede elétrica, sendo apropriado para alimentação e proteção de máquinas e equipamentos sensíveis a tais variações. 3.2 Para que serve um Estabilizador? A principal função de um estabilizador é tornar a tensão da rede elétrica que alimenta o computador igual à rede que é suportada pelo equipamento em questão. Isso quer dizer que com o uso de um estabilizador é mais fácil assegurar que as oscilações na voltagem da corrente elétrica não sejam sentidas pelo computador e, dessa forma, evitem maior danos no equipamento. 3.3 Qual a diferença entre Estabilizadores e No-Breaks? Estabilizadores simplesmente garantem que a tensão da rede elétrica na qual está ligado o computador mantenha-se sempre constante, mas não podem garantir a continuidade de um trabalho previamente começado no caso de uma queda no fornecimento de energia. Já os no-breaks têm exatamente essa função: garantir uma autonomia de energia no caso de uma suspensão provisória dessa energia. Assim, eles permitem que os computadores continuem ligados no caso de uma eventual queda na rede elétrica. Como eles garantem uma segurança maior para o usuário, evitando que o computador desligue de surpresa sem que haja tempo para salvar o arquivo no qual se está trabalhando, eles costumam ser muito utilizados em empresas e escritórios. 3.4 Estabilizadores eletrônicos O Estabilizador eletrônico é uma solução eficiente, de custo moderado, recomendada para aqueles clientes que querem proteger os seus equipamentos (hardware) contra as variações (oscilações) de tensão, picos e ruídos presentes nas redes elétricas. Figura 3: Estabilizador eletrônico linear. Fonte: site do fabricante www.amplimag.com.br 3.4.1 Estabilizador por Taps A tecnologia de correção por seleção de tapes dos estabilizadores eletrônicos atuais oferecem a baixos custos, alta confiabilidade e eficiência na correção das oscilações de tensão das redes elétricas. Seu princípio de funcionamento baseia-se na soma e subtração de tensão, através da seleção de tapes do transformador. Quando ocorre uma oscilação de tensão, o circuito eletrônico imediatamente reconhece e dispara o tape de correção adequado, somando ou subtraindo tensão na linha e por sua vez, estabilizando-a. Essa tecnologia é recomendada para atender a equipamentos de pequeno, médio e grande porte; tais como microcomputadores pessoais, servidores de rede, periféricos, computadores médios e grandes, equipamentos voltados à automação comercial, industrial e bancária, equipamentos médicos hospitalares sensíveis e outros, ou seja, qualquer equipamento que requeira uma alimentação elétrica de qualidade. 3.4.2 Estabilizador eletrônico linear ou por controle do ângulo de fase dos Tiristores Uma tecnologia muito utilizada é a do estabilizador com princípio de funcionamento através do disparo de tiristores por ângulo de fase. Embora produza uma eficiente estabilização de tensão melhor até do que a do estabilizador por Taps (1% do linear contra 2 a 3 % por Taps), devido à característica construtiva do transformador booster, possui uma impedância maior de saída. Assim que para determinadas aplicações que exigem altas correntes de partida de motores, por exemplo, os estabilizadores por TAPs são mais adequados, pois sua impedância de saída é pequena. Para equipamentos que demandam muita precisão na regulação de tensão e não admitem eventuais transitórios de comutação de TAPS, recomendam-se os estabilizadores lineares. 4 BATERIAS 4.1 O que são baterias A capacidade de uma bateria de armazenar carga é expressada em ampère-hora (1Ah=3600 coulombs). Quanto maior a quantidade de eletrólito e maior o eletrodo da bateria, maior a capacidade da mesma. Por causa das reações químicas a capacidade de uma bateria depende das condições da descarga tais como o valor da corrente elétrica, a duração da corrente, a tensão terminal permissível da bateria, a temperatura, e os outros fatores. 4.2 Tipos de baterias As baterias modernas usam uma variedade de reações químicas para fornecer energia. Os produtos químicos típicos de uma bateria incluem: • bateria de zinco-carbono - também conhecida como bateria standard de carbono, a química do zinco-carbono é usada em todas as baterias baratas do tipo AA, C e D. Os eletrodos são o zinco e o carbono com uma pasta ácida entre eles para servir de eletrólito; • baterias alcalinas - usadas pelas baterias comuns da Duracell e da Energizer, os eletrodos são o zinco e o óxido de manganês com um eletrólito alcalino; • baterias de lítio - lítio, iodeto de lítio e iodeto de chumbo são usados em câmaras digitais por causa da sua capacidade de fornecer aumento de energia; • baterias de chumbo-ácido - usadas em automóveis, os eletrodos são feitos de chumbo e óxido de chumbo com um eletrólito de ácido forte (recarregável); • baterias de níquel-cádmio - os eletrodos são o hidróxido de níquel e o cádmio com um eletrólito de hidróxido de potássio (recarregável); • baterias de níquel-metal hidreto - esta bateria está rapidamente substituindo a bateria de níquel-cádmio, pois ela não sofre do efeito memória que acontece nas baterias de níquel-cádmio (recarregáveis); • bateria de lítio-íon - com uma relação muito boa de peso-potência, ela é geralmente encontrada em computadores laptop e telefones celulares de ponta (recarregável); • bateria de zinco-ar - esta bateria é leve e recarregável; • bateria de zinco-óxido de mercúrio - geralmente usada em aparelhos auditivos; • bateria de prata-zinco - usada em aplicações aeronáuticas por sua boa relação peso-energia; • bateria de metal-cloreto - usada em veículos elétricos. 5. CONCLUSÃO Tanto no-breaks como estabilizadores, são equipamentos utilizados como proteção de outros equipamentos eletrônicos, evitando assim algum problema causado por surtos de tensão e "spikes", afundamento de tensão, interrupção no fornecimento ou alterações de freqüência. Estabilizadores simplesmente garantem que a tensão da rede elétrica na qual está ligado o computador mantenha-se sempre constante, já os no-breaks têm exatamente a função de garantir uma autonomia de energia no caso de uma suspensão provisória. A bateria é um dispositivo que armazena energia química e a torna disponível na forma de energia elétrica, para a utilização em vários equipamentos. 6. BIBLIOGRAFIA • http://informatica.hsw.uol.com.br • http://pt.wikipedia.org • http://www.advancedbr.com.br • http://www.amplimag.com.br • http://www.secpower.com.br • http://www.powerware.com/Brasil/BR_359.asp
