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Autor: Professor Rafael Galli Revisão Técnica:
Sub Oficial da FAB Jorge Luiz Teixera da Costa Revisão do Português: Suzana Tust
NO-BREAK 1.0 Introdução
Com o avanço da informática e com a automação cada vez mais presente nas indústrias, surgiu a necessidade de criar sistemas que garantam o funcionamento permanente dos equipamentos, evitando falhas, devido à falta e ou variação de energia da rede concessionária. Para isso utiliza-se equipamentos também conhecidos por UPS (Uninterruptible Power Supplies) e são, comumente, encontrados em várias aplicações tais como: • Computadores; • Alimentação de CLP`S; • Equipamentos médicos. E em qualquer outro equipamento em que não pode haver falhas na energia. Cita-se como exemplo de equipamentos utilizados para manter uma boa qualidade de energia: • Estabilizadores de Tensão; • Grupo gerador; • No-break. Neste trabalho, dedicaremos ao estudo de no-break, não tendo a pretensão de apresentar tudo que há sobre o tema, mas sim uma abordagem simples e direta no assunto, mesmo porque com o avanço da tecnologia, nesta área, existe uma constante mudança nas configurações e topologias. De que forma podemos definir, se uma rede está com problemas. Qual é o requisito de qualidade na alimentação de um equipamento ligado a esta rede? Não existem, ainda, padrões industriais reconhecidos, para estas perguntas, mas a CBEMA (Computer Business Equipament Manufacturer´s Association) e a ITIC (Information Technology Industry Council) adotaram a curva mostrada na Fig 1, esta curva aparece na norma IEEE 446 como “Prática recomendada para sistemas de alimentação de emergência, em aplicações industriais e comercias”. A curva define os “limites” dentro o qual deve estar o valor eficaz da tensão de entrada, ou seja, se a tensão superar os limites estabelecidos o equipamento apresentará mau funcionamento e será danificado. Neste caso o sistema de alimentação interrupta (UPS), nobreak, gerador, etc, deve entrar em funcionamento garantindo a boa qualidade da energia na carga. (microcomputadores, transmissores, etc). Como podemos observar na curva, que a tensão, que esta em porcentagem, pode variar 10% sem comprometer o funcionamento do equipamento e danificá-lo. Também podemos observar que para pequenas frações de tempo, a carga pode sofrer uma grande variação de tensão sem danificar. Da mesma forma a carga pode sofrer um surto de tensão com o dobro da tensão eficaz, dês de que o tempo que isto ocorra, não ultrapasse 1ms.
Fig 1. Gráfico de Tolerância de tensão típico para sistema computacional Adaptado da norma IEEE 466
Além disto, tolera-se, em sistemas trifásicos um desbalanceamento entre fases de 3 a 6%, e em relação à freqüência tem-se uma variação máxima de mais ou menos 0,5%. Pode-se definir basicamente três tipos de no-break: • Dupla conversão; • Bidirecional; • Interativo. OBS: O sistema dupla conversão é chamado de verdadeiramente on-line, o sistema bidirecional pode ser chamado on-line, mas sua saída possui uma pequena falha na passagem da rede para o inversor e vice-versa e o interativo é chamado de off-line. 2.0 On-line
É aquele que não possui interrupção de energia na falta da rede comercial, ou seja, o tempo de comutação é zero. 3.0 Off-line
É aquele que possui um tempo de comutação entre inversor e rede. É aquele em que a rede comercial alimenta a carga prioritariamente e na falta de rede o inversor assume a carga. É importante definir que todo o no-break possui bateria para que possa operar normalmente. 4.0 No-break Dupla conversão
O sistema Dupla conversão, como mostrado na Figura 2, apresenta um retificador de entrada, que pode ser monofásico ou trifásico dependendo do porte do equipamento.
Sua função é gerar um barramento contínuo (Barramento CC) para que o inversor possa operar.
Fig 2. Diagramas em blocos de um no-break Dupla Conversão.
É importante salientar que o barramento CC deve ser o mais estável possível, para que o inversor possa operar de modo satisfatório. A variação da tensão neste barramento pode ocasionar o bloqueamento do inversor, por parte do circuito de controle, e o mesmo passa o no-break para o by pass. Isto é uma forma que o equipamento tem de proteger o inversor de saída, pois se a tensão sobre o inversor for muito alta, o mesmo queima por sobre tensão, e se for muito baixa, a tensão de saída tenderá a cair a níveis não desejados comprometendo o funcionamento do equipamento ligado a ele. 5.0 No-break Bidirecional
Basicamente o sistema é dotado de um conversor Bidirecional e de um sistema de ressonância filtro magnético. Enquanto for normal a alimentação da rede comercial, o conversor bidirecional funciona como carregador e encarrega-se de alimentar um banco de baterias de forma que a energia possa se devidamente armazenada. Em caso de falha da alimentação da rede, a chave estática abre e o conversor passa a fornecer a energia armazenada nas baterias para a saída. Funcionando como inversor. Havendo ou não energia na rede, a carga sempre estará sendo alimentada através de um sistema de ressonância filtro magnético, que é responsável pela qualidade da energia, mantendo a estabilizada. A transferência rede-inversor-rede é quase imperceptível devido ao fato do conversor operar simultaneamente com a presença da rede. Além disso, o sistema de ressonância filtro magnético armazena energia em seus filtros por mais de um ciclo de rede. O diagrama em blocos do no-break Bidirecional está representado na figura 3.
Fig 3. Diagrama em blocos de um no-break Bidirecional.
Na figura 4 mostra-se o circuito do conversor Bidirecional do no-break Bidirecional.
Fig 4. Esquema do conversor de um no-break Bidirecional
6.0 No-break Interativo
O no-break off-line, está representada na figura 5 é também conhecido como linha prioritária ou interativo.
Fig 5. Diagrama em blocos de um no-break interativo
Da mesma forma que o on-line, o interativo possui um carregador e um inversor de saída, sendo que a grande diferença entre os dois está em que o interativo somente assume a saída (carga) quando há uma queda na rede concessionária, caso contrário, a saída é a mesma rede concessionária. Os no-breaks off-line apresentam custo mais baixo que os on-line, desta forma são aplicados às cargas de baixa potência. 7.0 By-pass e chave estática
O by-pass é um caminho alternativo, é um desvio que o equipamento possui para em caso de manutenção ou defeito do equipamento, a carga não fique sem alimentação. A princípio em caso de manutenção preventiva, deve-se acionar o by-pass, e executar a manutenção o mais rápido possível, pois quando o sistema está em by-pass, a carga fica sujeita a quedas de rede, salvo se a rede alternativa seja a saída de outro no-break. É importante também ressaltar que o "caminho" de by-pass, dependendo do no-break, pode ser ligado a uma rede alternativa, conforme a figura 5. Esta rede alternativa deve ter o mesmo valor da tensão de saída do no-break, para que a carga sempre receba o mesmo valor nominal, ou seja, se a saída do no-break for 110Vac a tensão da rede alternativa deverá ser 110Vac. A transição do by-pass deve ser a mais rápida possível, para evitar que a carga sofra qualquer perturbação que venha a resetar, caso de computadores, o tempo recomendado para esta transição, deve ser menor que 1/4 de ciclo. O by-pass pode ser feito através de relé, em no-break de pequeno porte, ou através de contactoras, nos de grande porte. Estes dois componentes possuem um tempo de resposta muito grande sendo a contactora mais crítica que o relé, visto que há relés de comutação rápida. Para diminuir o tempo de comutação das contactoras de by-pass, é normalmente utilizado em paralelo com o contato de by-pass desta, um TRIAC.
Desta forma aciona-se o TRIAC antes da contactora, logo após "bate-se" a contactora desligando-se o triac. Como o triac possui um tempo de comutação muito menor que a contactora, o tempo de comutação total é diminuído. OBS: É comum no jargão técnico, ao em vez de acionar a contactora, dizer-se bater a contactora. Podemos observar o circuito de by-pass, utilizando-se Triac em paralelo com a contactora na figura 6.
Fig 6. Circuito de by-pass com chave estática.
8.0 Inversor
O inversor pode ser considerado o principal constituinte de um no-break, é ele o responsável de gerar a tensão de saída de um no-break, ele pode, ter varias topologias, mas as mais utilizadas são: • Push Pull; • Meia ponte; • Ponte completa. O inversor deve ser capaz de fornecer tensão alternada, com freqüência, forma de onda e amplitude invariantes. 8.1 Push-pull
A estrutura básica de um inversor tipo Push-pull esta representada na figura 7.1. Nesta configuração, os transistores T1 e T2 são acionados um por vez, gerando a tensão no secundário.
Fig 7.1. Estrutura básica de um inversor Push-pull.
Esta topologia é normalmente utilizada em no-break de pequeno porte, e normalmente se acrescenta transistores em paralelo à medida que se quer aumentar a potência do no-break.
O ciclo de operação deste inversor está demonstrado na figura 7.2 e 7.3.
Fig 7.2. T1 entra em condução surgindo o primeiro ciclo no secundário.
Fig 7.3. T2 entra em condução surgindo o segundo ciclo no secundário.
8.2 Meia ponte
Meia ponte é uma configuração mais utilizada em equipamentos de maior porte, por ser um inversor mais estável que o Push-pull, a configuração básica de uma meia ponte está representado na figura 7.4, o seu funcionamento, da mesma forma que a Push-pull, deve-se acionar um transistor de cada vez, gerando a forma de onda da saída. Seu funcionamento está demonstrado nas figuras 7.5 e 7.6.
Fig 7.4. Estrutura básica de um inversor meia ponte.
Fig 7.5. 1º etapa de funcionamento do inversor meia ponte
Fig 7.6. 2º etapa de funcionamento do inversor meia ponte
8.3 Ponte completa
O circuito completo de um inversor Ponte Completa está mostrado na figura 7.6.
Fig 7.6 . Inversor ponte Completa.
No primeiro momento T1 e T4 são acionados polarizando o transformador de saída com mais (+) no ponto “A” e menos (-) no ponto “B”, conforme a figura 7.7.
Fig 7.7 . 1º etapa de funcionamento do Inversor ponte Completa.
Num segundo momento, temos o apagamento de T1 e T4. Num 3º momento T2 e T3 são acionados polarizando agora o ponto “A” com menos (-) e o ponto “B” com mais (+), como podemos observar na figura 7.8. E para finalizar em um 4º momento T2 e T3 são apagados e assim sucessivamente. Desta maneira obtém-se a forma de onda representada na figura 7.9.
Fig 7.8. 3º etapa de funcionamento do Inversor ponte Completa.
Fig 7.9. Forma de onda de saída e suas etapas de acionamento.
9.0 Carregador
O carregador é um ponto fundamental em um no-break, pois ele é responsável pela carga das baterias, e essas por sua vez, pela manutenção da saída do no-break em caso de falta de rede. Se o carregador for de baixa qualidade, ele compromete o tempo de vida do banco de baterias, diminuindo em muito o tempo de vida do mesmo. OBS: É normalmente dito "Banco de bateria", o conjunto de baterias que alimentam o nobreak e caso de falta de rede. Este banco pode ser de uma baterias, normalmente ligadas em série. O carregador deveria possuir no mínimo, tensão de carga e flutuação para que se tenha um aproveitamento máximo do banco de baterias. Os carregadores com carga e flutuação são raros, pois exigem uma eletrônica mais elaborada. Normalmente a tensão de carga de uma bateria chumbo-ácido é de 14,4V, se colocarmos uma tensão superior a esta a bateria ferve. Já a tensão de flutuação esta entre 13,2 e 13,6V. Os carregadores que não possuem este tipo de carga, normalmente possuem uma tensão fixa entre 13,5V e 13.8V.
Já a corrente de carga normalmente que fosse 10 a 20% da corrente nominal da bateria, por exemplo: Uma bateria de 12V-45A/h, seria ideal que fosse carregada com uma corrente de 4,5 a 9A. A corrente de carga não deve superar 25% da corrente nominal da bateria, pois isto causa uma carga falsa e pode danificá-las. Existem várias topologias de carregador, pode-se conferir na figura 8.1, uma forma de carregador muito simples, utilizado em um grande número de no-break de pequeno porte por ser de baixo custo e atender as necessidades de carga.
Fig 8.1. Configuração de carregador utilizando LM 317.
Outra configuração, já mais elaborada, pode ser visto na figura 8.2, nesta configuração podemos notar que existe um controle sobre a corrente de carga, uma proteção de sobre corrente, que no anterior não existia, que evita que o carregador seja danificado por uma bateria com defeito.
Fig 8.2. Configuração de carregador com proteção de sobre corrente.
A terceira configuração apresentada na figura 8.3 é um Boost, utilizado em alguns nobreak de grande porte, que da mesma forma que o carregador anterior, possui proteção contra sobre corrente.
Fig 8.3. Configuração de carregador utilizando um Boost e PWM UC3845.
É importante salientar que as baterias que ficam muito tempo paradas, como é o caso de baterias de no-break, podem ficar por tempo indeterminado com tensão de flutuação sobre elas, não se danificando. Já a corrente de flutuação fica abaixo de 1A, sendo suficiente para compensar as perdas naturais da bateria. Para completar existem duas formas de carga, que são recomendadas, a UUI e a UI. Os gráficos dos dois carregadores estão representados nas figuras 8.4 e 8.5.
Fig 8.4. Gráfico de carga de um carregador tipo UUI.
Onde Vi é a tensão da bateria no início da carga. Este sistema tem como vantagens: • A bateria pode ser carregada até 100%; • Não há risco de a bateria ferver; • Não requer a presença de um operador; • O carregador pode ficar sempre ligado à bateria.
• Este sistema não possui inconvenientes. Já o sistema UI tem como vantagens: • Não há risco de a bateria ferver; • Não requer a presença de um operador; • O carregador pode ficar sempre ligado à bateria, porém é recomendado verificar o nível do eletrólito cada mês. O Inconveniente deste sistema é que a bateria não ultrapassa os 70% de carga.
Fig 8.5. Gráfico de carga de um carregador tipo UI.
10.0 Forma de onda
A forma de onda de saída de um no-break, na grande maioria é quadrada, por ser a mais fácil de se obter. Esta forma de onda é mais utilizada em sistemas off-line, pelo baixo custo. Estes equipamentos alimentam, geralmente, computadores de uso pessoal, os quais tem entrada com retificador a diodo e filtro capacitivo. Dado ao espectro de onda produzida, haverá um maior aquecimento do transformador, mas devido ao curto tempo de operação do no-break, não causa grandes problemas. OBS1: Não devemos utilizar no-breaks de onda quadrada em equipamentos muito delicados, como, equipamentos biomédicos e etiquetadores de cupom fiscal, Clp´s. Estes equipamentos podem apresentar defeito em seu funcionamento, devido às harmônicas geradas pela forma de onda de saída. Aconselha-se nestes casos no-breaks de saída senoidal. OBS2: Quando medimos a saída de um no-break de onda quadrada, deve-se utilizar um medidor com Trurms, para obter-se uma leitura correta. Além da forma de onda quadrada e senoidal, há uma terceira forma de onda de saída que se chama quase quadrada ou senoide modificada. As três formas de ondas estão representadas nas figuras 9.1, 9.2 e 9.3.
Fig 9.1. Forma de onda quadrada de saída.
Fig 9.2. Forma de onda quase quadrada de saída.
Fig 9.3. Forma de onda senoidal de saída.
11.0 Potência de saída de um no-break
Normalmente a potência de saída de um no-break é dada em VA (volt ampér), mas os equipamentos comerciais; TV, computadores, impressoras, são dadas em Watt. Como então definir a capacidade de carga que um no-break possui, ou seja, quantos aparelhos o no-break consegue manter em caso de falta de energia. Uma maneira é multiplicar o fator de potência, geralmente fornecido pelo fabricante, do no-break, pela sua potência de saída em VA, por exemplo:
Supondo-se que o no-break é de 7,5KVA e o fator de potência (FP) é de 0,8 qual a potência em Watt? Pw = 7,5KVA * 0,8 Pw = 6000W Outra forma é utilizar a tabela 1, que representa a potência em VA de alguns aparelhos. Cargas Potência em VA Micro+ monitor de 15pol 200 Servidor 350 Micro+ monitor de 17pol 350 Impressora matricial 150 Jato de tinta 100 Hub 50 Shuitch 100 Lazer 1200 Scaner 30 Central Telefônica 250 a 1500 Terminal (Monitor) 100 Impressora fiscal 90 Balança eletrônica 70 Modem 20 Tabela 1. Potência em VA de alguns aparelhos
12.0 Procedimentos Básicos de manutenção
a) Verificar o estado do equipamento danificado (inspeção visual); b) Anotar número de série, data de fabricação, tipo de equipamento, data de entrada e de saída da manutenção; c) Abri o equipamento, com cuidado, guardando todos parafusos em um local seguro (caixinha) para evitar extravio; d) Limpar o equipamento; e) Medir todos os semicondutores (Transistores, diodos); f) Trocar integrados; g) Verificar resistores; h) Verificar trilhas; i) Testar equipamento; j) Fechar o equipamento, tomando cuidado de que todos os parafusos estejam nos seus devidos locais. k) Testar novamente o equipamento. OBS: Quando um no-break não liga, deve-se ter o cuidado de verificar se as baterias estão com carga, pois se as baterias estiverem descarregadas, tensão menor que 10V o equipamento não liga.
Quando se verifica que o fusível de saída do no-break estão abertos, ou a etapa do inversor esta queimada, pode-se afirmar que o equipamento sofreu uma sobre carga, deve-se alertar o cliente. 13.0 Exercícios
1) O que é um no-break? 2) Para que serve um no-break? 3) Quais os tipos básicos de no-break? 4) O que é um no-break On-line? 5) O que é Barramento CC, e quais os cuidados com ele? 6) O que é um inversor e para que serve o mesmo? 7) Quais os inversores mais utilizados em no-break? 8) Desenhe e explique o diagrama básico do On-line. 9) Desenhe e explique o diagrama básico do Off-line. 10) Para que serve o Triac na chave estática? 11) Qual a tensão de carga de uma bateria? 12) O que ocorre com a bateria se esta tensão for muito alta? 13) Qual a importância da tensão de flutuação? 14) Se a corrente de carga for muito alta o que ocorre com a carga da bateria? 15) Qual o valor mais indicado para esta corrente, e qual o valor maximo recomendado? 16) Qual o problema da onda quadrada em um no-break de saída quadrada? 17) Qual o cuidado que temos que ter ao medir a saída de um no-break de saída quadrada? 18) Um no-break de 15KVA com FP = 0,9 equivale a quantos Watts de potência de saída?
