SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Sistemas de Energia Ininterrupta:
UPS - No-Breaks
Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia
Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo
www.cpdee.ufmg.br/~porfirio
Parte desta apresentação foi adaptado de
material elaborado por Jose A. Villarejo:
http://www.ieee-pels-spanish-chapter.org
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
1
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Porque a necessidade de equipamentos de
energia adicionais para alimentar uma
carga crítica?
 Estabilizador de tensão
ou
UPS - Uninterruptible Power Supply ou No-Break
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
2
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Principais características:
Regulação
Tempo de
resposta
Autonomia
Filtro de linha
Custo
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ESTABILIZADOR
UP S
Por tapes ou
Ferro-ressonante
Elevado
Continua
Zero
Incluído
Baixo
Alguns minutos
Incluído
Médio
Baixo
3
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Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
UPS Rotativa

Conversão de energia mecânica em elétrica;

Autonomia de funcionamento da ordem de
horas;

Nível de ruído
ambientes especiais.
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elevado,
necessitando
de
4
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Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
UPS Estática







Utiliza conversores eletrônicos;
Melhor resposta dinâmica;
Baixo ruído acústico;
Melhor regulação de tensão
Melhor regulação da freqüência na carga;
Instalações simples;
Custo mais elevado.
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5
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Carga típica de UPS: fonte chaveada de
equipamentos eletrônicos






Tensão de alimentação: 110Vca ou 220Vca
Desvio máximo permissível da tensão de alimentação:
110Vac de: 93Vac a 140Vac
220Vac de: 187Vac a 253Vac
Corrente de partida ( Inrush Current): 120A pico máximo
Na falta da tensão de alimentação, a fonte mantém a regulação
das saídas por pelo menos 17ms, com carga nominal. Este
tempo é denominado “Time Hold up”.
Fator de potência entre 0,5 e 0,7.
Fator de crista entre 2,5 e 3.
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6
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Diagrama de Blocos de uma UPS
Fonte de
Alimentação
Conversor
Retificador
/Inversor,
Filtros
Cargas críticas
(lineares e
não lineares)
Banco de
Baterias
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7
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Classificação das UPS
 Off-line (standby)
 On-line (sistema de dupla conversão)
 Line-interactive
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8
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Topologia de UPS off-line (standby)
Carregador
de
Baterias
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Inversor
+
Filtro
Trafo
9
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Topologia de UPS off-line (standby)
Vantagens:

Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou
desligado;

Baixo custo e volume: carregador de baterias independente;
Desvantagens:

Pobre regulação da tensão na carga;

Falta de condicionamento da corrente de entrada: injeção de
harmônicos na rede elétrica, quando as cargas são não lineares;

Tempo de transferência, entre os modos rede-inversor e inversorrede, provocando tensão na carga nula nestes instantes;

A forma de onda da tensão de saída geralmente é quadrada.
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10
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Topologia de UPS on-line
Carregador
de
Baterias
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Inversor
+
Filtro
Trafo
11
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Topologia de UPS on-line
Vantagens:

A carga é continuamente alimentada pelo inversor, portanto,
não existe tempo de transferência;

A tensão de saída da UPS é regulada e possui baixa Taxa de
Distorção Harmônica (TDH 5%);


Distúrbios da rede elétrica comercial não atingem a carga;
A utilização de uma chave estática, aumenta a confiabilidade
do UPS.
Desvantagens:

Baixo rendimento ( rendimento do inversor * rendimento do
retificador), em função dos conversores estarem em cascata;

Elevado custo e volume, em função do retificador que é
dimensionado para alimentar o inversor mais a carga das baterias.
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12
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Topologia de UPS Line-interactive
Inversor/
retificador
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Filtro
13
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Topologia de UPS Line-interactive
Vantagens:

Baixo custo e maior rendimento;

Possibilidade de se regular a tensão de saída ou
compensar os harmônicos da corrente de carga, permitindo que
a entrada do conversor seja senoidal e apresente um Fator de
Potência Quasi-unitário;

Pequeno tempo de transferência nos modos: rede-inversor e
inversor-rede.
Desvantagens:
 A presença do indutor não permite que a tensão de saída e a
tensão de entrada estejam em fase, gerando um transitório
quando da utilização da chave de “by-pass”.
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14
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Componentes de uma UPS




Baterias
Inversor
Retificador
Chave Estática
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15
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Retificador semi-controlado
monofásico
T1
T2
DRL
D1

Baixo Custo

Não permite inversão
do fluxo de energia
D2

Baixo Fator de Potência

Taxa de Distorção Harmônica da
Corrente de Entrada elevada
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T1
D1
T2
D2
16
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador semi-controlado monofásico
Tensao e corrente de saida
200
150
100
50
0
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
V0 
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0.06
0.065
Vm( 1cos θ)
π
17
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador semi-controlado monofásico
Tensao e corrente de entrada
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
0.06
0.065
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da
corrente de entrada
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18
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
T1
T2
T4
Baixo Custo

Permite inversão do fluxo
de energia: INVERSOR
NÃO AUTÔNOMO
T3

Baixo Fator de Potência

Taxa de Distorção Harmônica da
Corrente de Entrada elevada
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
19
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Modo retificador
Tensao e corrente de saida
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
V0 
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0.06
0.065
2Vm cosθ
π
20
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Modo retificador
Tensao e corrente de entrada
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
0.06
0.065
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da
corrente de entrada
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21
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Retificador controlado monofásico
Efeito da Comutação
La
T1
T4
T2
T3
1.
Introdução de “Notches” na tensão de entrada
2.
Redução da Tensão de saída:
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Vo 
2La I

22
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Efeito da Comutação
Tensao e corrente de saida
200
150
100
200
50
150
0
100
-50
50
-100
0
-50
-150
-100
-200
0.035
0.04
-150
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
-200
0.042
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.0425
0.043
0.06
0.0435
0.065
0.044
23
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Efeito da Comutação
Tensao e corrente de entrada
200
150
100
50
200
0
150
-50
100
-100
50
-150
-200
0.035
0
0.04
-50
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
-100
0.06
0.065
-150
-200
0.042
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.0425
0.043
0.0435
0.044
24
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Modo inversor
Tensao e corrente de saida
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
0.06
0.065
90 < Ângulo de disparo < 150
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25
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador controlado monofásico
Modo inversor
Tensao e corrente de entrada
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
0.035
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.04
0.045
0.05
0.055
Tempo(s)
0.06
0.065
26
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico
T1
T2
T3
D3
D1
D2
D3
0
T1
T3
T5
T2
T4
T6
0
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
27
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo = 30
Tensao e corrente de saida
300
200
200
0
100
0
Tensao e corrente de entrada
-200
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
Na tensão de saída, o primeiro
harmônico presente é o terceiro
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
Na corrente de entrada,
aparecem harmônicos pares
28
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo = 90
Tensao e corrente de saida
300
Tensao e corrente de entrada
200
200
0
100
-200
0
0.1
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
29
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico controlado
Ângulo de Disparo = 30
Tensao e corrente de saida
300
Tensao e corrente de entrada
200
200
0
100
-200
0
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
Na tensão de saída, o primeiro
harmônico presente é o sexto
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
Na corrente de entrada, não
aparecem harmônicos pares
30
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico controlado
Modo Inversor não autônomo
Ângulo de Disparo = 120
Tensao e corrente de entrada
Tensao e corrente de saida
200
200
0
0
-200
-200
0.1
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
31
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico controlado 12
pulsos
T1
T3
T5
T2
T4
T6
T1
T3
T5
T4
T6
0
T2
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32
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificador trifásico controlado 12
pulsos
Ângulo de Disparo = 60
Tensao e corrente de saida
Tensao e corrente de entrada
400
300
200
200
0
100
0
-200
0.1
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
-400
0.1
0.11
0.12
Tempo(s)
0.13
33
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores trifásicos a tiristores
Vantagens



Baixo Custo
Rendimento Elevado
Robustez
Desvantagens


Baixo Fator de Potência
Corrente de entrada com THD elevada
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34
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Inversores monofásicos
VO
E
S2
S1
“Push-pull”
S1
VO
E
S2
S1
S3
VO
E
S2
Meia ponte
S4
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Ponte completa
35
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Inversores monofásicos


Como controlar a tensão de saída do inversor?
Inversor de onda quadrada
Problema com harmônicos
de baixa freqüência.
Empregado em UPS “Off-Line” de baixo custo

Inversores com controle por Modulação em Largura de Pulso Senoidal
Os harmônicos de baixa freqüência são eliminados. Os harmônicos
presentes estão em bandas em torno de múltiplos da freqüência de
chaveamento.

Empregado em UPS “On-line” e “Line-Interactive”
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36
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Inversores de onda quadrada
E
Vo
Vorms
E
 Presença de harmônicos de
d
t
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
d
 E 1

baixa freqüência na tensão de
saída:
Filtragem difícil
37
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
TA +
E/2
A
t
DA+
-
+
0
E/2
VControle
VA0
TA -
+
DA -
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+
-
E/2
+
-
-
O valor médio de VAO é positivo
-E/2
38
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
TA +
E/2
A
t
DA+
-
+
0
E/2
/2
VControle
VA0
TA -
+
DA -
-
E/2
+
-
-E/2
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O valor medio de VAO é zero
39
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
TA +
E/2
A
t
DA+
-
+
0
E/2
VControle
VA0
TA DA -
+
+
-
E/2
-
+
-E/2
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O valor médio de VAO é negativo
40
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Modulação em Largura de Pulsos - PWM
<VA0>T em função de VC ; VPT ; E
VPT
VC
T1=
VC T
VPT
T1 T2 T1
T
T/2
VA 0
T

T2=T/2-2T1
4
E 1
T 

 T1  T2   T1   
2T
2 

E
VA0
VA0
T
E VC

2 VPT
-E
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41
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Bipolar
VPT
VC
tempo
E/2
VAO
-E/2
tempo
T /2
T
T1T2T3
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42
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Bipolar
|VPT|
|VC|
|VPT|
|VC|
V
ma  C
VPT
ma<1, Sistemas modulados
ma>1, Sistemas sobremodulados
Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa
freqüência e portanto não são utilizados em UPS
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43
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Bipolar
fC
mf 
f PT
Para mf inferior a 21, cuidado ao escolher a freqüência de chaveamento.
mf > 21 – Sistema com modulação de freqüência elevada
mf < 9 – Sistema com modulação de freqüência reduzida
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44
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Bipolar
Considerações sobre a escolha de mf

Para mf < 21:




Sincronizar os sinais da modulante Vc e da portadora VPT
mf deverá ser inteiro e ímpar
As inclinações da modulante e da portadora deverão ser de
polaridades opostas, quando ambas cruzarem o eixo das
ordenadas.
Para mf > 21:

Não há necessidade de sincronismo e mf não necessita ser
inteiro.
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45
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Bipolar
Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar
1
0.9
0.8
Ma = 0,8
Mf = 15
0.7
Ma
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Mf
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46
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Unipolar
(Vxx)T
maA , φA=0
maB , φB
TA +
E/2
A
0
E/2
TB +
tempo
B
TA -
TB VB0
E
EV (t )
E
V (t )  m  sen (t   )
VxX00(t ) TT 2E Cxax   B 
VAB 2 2 VmPTa sen  
2
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2 
2
VAB
maB
φB
E maA
2
VA0
47
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Unipolar
VCB
VCA
VA0
E/2
-E/2
VB0
E
VAB
tempo
-E
E
φB = 
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48
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal Unipolar
Espectro Harmônico da Tensão de saída - PWM Unipolar
1
0.9
Ma = 0,8
Mf = 15
0.8
0.7
Ma
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Mf
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49
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Comparação PWM Senoidal
Espectro Harmônico da Tensão de saida - PWM Bipolar
1
0.9
0.8
Ma = 0,8
Mf = 15
0.7
Ma
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Mf
Espectro Harmônico
da Tensãoda
deTensão
Saída –de
PWM
Bipolar
Espectro Harmônico
Saída
– PWM Unipolar
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50
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Influência do Tempo Morto
Tensão Desejada na saída
E
E
-E
D1
tm
T1
T2
iA > 0
T1
iA < 0
tm
D2
T2
-E
Tensão real na saída para iA
Tensão real na saída para iA
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51
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Influência do Tempo Morto
corrente na carga
positiva
S1 ON
S1 OFF
corrente na carga positiva: a
comutação de S1 para D2 não é
influenciada pelo tempo morto,
o mesmo não acontece com a
comutação de D2 para S1.
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tm
E se I A  0
T
t
  m E se I A  0
T
V AO 
V AO
52
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Influência do Tempo Morto
VAO + ΔVAO
iA < 0
Tensão desejada
VAO + ΔVAO
iA > 0
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53
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Topologias de UPS Trifásicas
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
C
C
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54
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal trifásico
VCA(t)
VCC(t))
Sinais de controle
defasados de 120º
VCB(t))
φB=120º
E/2
-E/2
E/2
-E/2
E/2
VA0
VB0
E
VB0
2
VAB
ma
φB
E
2
(VAB)1
ma
VA0
0.8
-E/2
Tempo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
VAB  2  VA0
 120
 sen

 2 
55
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
PWM Senoidal trifásico
Se subtrairmos dois sinais identicos defasados de 120º, o terceiro
harmônico é eliminado
(VAB)n
(VA0)n
E
E
(VAB) 1 =
E
1
0.8
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
ma ×
3
2
ma=0,8
mf=15
0.6
0.4
0.2
1
15
30
45
mf
Conteúdo harmônico de VAO
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
60
0
15
27 30 33
mf
Conteúdo harmônico da tensão
entre fases
56
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Tensão e corrente de saída de uma
UPS


THD = 5%
fp = 0,61
  
TT

1) Ch 1:
2) Ch 2:
100 Volt 5 ms
20 Amps 5 ms

Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
57
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
T1
D1
Va
Lf
Cf
• Alto Fator de Potência
D4
• Fluxo de energia não
reversível
L
C
T2
D2
D3
D4
Va
Lf
Cf
D3
L
C
T1
T2
D1
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
D2
58
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
T1
T4
D1
Lf
Va
Cf
D4
L
C
T2
T3
D2
D3
•Fator de potência ajustável
•Fluxo de energia bidirecional
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
59
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
D6
L1
L2
D1
D2
S1
C5
C2
D4
D3
Modo
dede
Condução
Descontínuo
Modo
Condução
Descontínuo Modo de Condução Crítico
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Modo de Condução Contínuo
60
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo de Condução Crítico ou Descontínuo:
•Implementação Simples;
•Corrente máxima nas chaves elevada;
•Aplicação em equipamentos de baixa potência.
Modo de Condução Contínuo:
•Implementação complexa
Multiplicador;
•Corrente máxima nas chaves reduzida;
•Aplicação em equipamentos de média e alta potência.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
61
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo Contínuo:
Controle da Corrente Média
Modo Contínuo:
Controle da Corrente por
Histerese
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
62
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle da Corrente Média:
•Freqüência fixa;
•Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP;
•Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da
tensão e outro para a malha de corrente.
Controle da Corrente por Histerese:
•Freqüência variável;
•Ajuste apenas do regulador de tensão ;
•Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP.
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63
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente:
Dimensionamento do indutor:
O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é
igual a metade da tensão de saída no barramento cc.
E
i L 
4 Lf
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64
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle do valor médio da corrente:
dimensionamento do capacitor
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65
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
D6
L1
L2
D1
D2
S1
C5
PWM
D4
D3
C2
Ks
Regul ador
de C orrente
iL
+
Iref
Vo
Controle sem
“feedforward”
K
K
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
A
AB
Km
Regul ador
B
de Tensão
Vref
+
66
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
D6
L1
L2
D1
D2
S1
C5
PWM
D4
D3
C2
Ks
Regulador
de Corrente
iL
+
K
K
Controle com
“feedforward”
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
FPB
Kff
Iref
-
A
C
Vo
AB
2
C
Regulador
B
de Tensão
Vref
+
Km
67
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Controle sem “Feedforward”
Vin
I in  K s K m
Vea
K
Ks Km
Vin 2Vea
Pin  Vin I in 
K
Controle com “Feedforward”
Vin
1
I in  K s K m
Vea 2 2
K
K ff Vin
Ks Km
Pin  Vin I in 
Vea
2
KK ff
Vantagens do controlador com “Feedforward”:
Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de
entrada;
Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta dinâmica
da malha;
Potência de entrada controlada.
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68
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente:
Limitação do ganho
proporcional para evitar
multiplas comparações
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69
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente:
Limitação do ganho de
alta
freqüência
da
medição da corrente.
Banda
passante
malha de corrente:
da
1 a 10 kHz
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70
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Fatores que afetam a banda passante da malha de controle
da tensão:
Distorção harmônica da referência para a malha de controle
da corrente:
1.
Harmônicos presentes na medição da tensão de saída
aparecem em Vea
2.
Método da medição da Tensão eficaz:
filtragem da tensão retificada
Banda passante da malha de controle da tensão de saída:
1 a 10Hz
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71
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Tensao de saída
360
350
340
330
0.04
0.05
0.06
Tempo(s)
Corrente80no indutor
50
60
0
40
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.04
0.05
20
Tempo(s)
0
0.0445
0.06
72
0.045
0.0455
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Retificadores de Alto Fator de Potência
Tensao e corrente de entrada
400
200
0
-200
-400
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
0.04
0.05
Tempo(s)
0.06
73
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS Line-Interactive (1)
T1
T2
D1
D2
Tr1
E
L
T4
C
T5
Va
T3
D4
D3
Durante funcionamento com rede presente o conversor
carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga.
Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal.
Regulação da tensão de saída depende das variações da
tensão da rede.
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74
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS Line-Interactive (2)
T1
T2
D1
D2
Tr1
E
L
T4
C
L1
T5
Va
T3
D4
D3
Durante funcionamento com rede presente o conversor
carrega a bateria e regula a tensão na carga.
Fator de potência não unitário e corrente de entrada com
taxa de distorção harmônica elevada
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
75
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS “Line-interactiva : Tri-Port
Estabilizador
Inversor/
retificador
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76
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS on-line - Carregador separado
Retificador
Inversor
+
Filtro
Trafo
Carregador
de
Baterias
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
77
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS On-line
T1
T2
T3
D3
S4
S5
D1
S6
D2
D3
0
S1
S3
S2
S1
S6
S5
S4
S2
S3
0
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
78
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
UPS “Line-interactiva : conversor delta
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
79
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Tensão e corrente na carga de uma UPS
“on-line” com controle por duas malhas
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
80
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Tensão e corrente na carga de uma UPS
“on-line” com controle por duas malhas +
malha de controle repetitivo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
81
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias

Longa Duração:



Uso Geral:



Autonomia mínima de 3 horas, típica de 8 horas.
Aplicação em sistemas de Telecomunicações.
Usadas em UPS, quando autonomia é da ordem de 1 a 3
horas.
Aplicações em sistemas de controle e comutação.
Curta Duração:




Aplicações necessitando de potência elevada em um curto
intervalo de tempo.
Em UPS, com autonomia da ordem de 15 minutos.
Placas mais finas.
Densidade do eletrólito mais elevada.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
82
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Chumbo-ácidas
Química da Bateria:



Placa Positiva: Dióxido de Chumbo – PbO2
Placa Negativa: Chumbo Esponjoso – Pb
Eletrólito: Solução de ácido Sulfúrico – H2SO4
Descarga


4 
Carga
PbO  Pb  2 H 2 SO
2 PbSO4  2 H 2O

Densidade específica do eletrólito mais elevada, entre
1,25g/cm3 e 1,3g/cm3, aumentando a capacidade Ah da bateria
às custas da redução da vida útil.

Tensão de Flutuação mais elevada para compensar as perdas
internas mais elevada.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
83
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Chumbo-ácidas
Tipos de baterias chumbo-ácidas:

Ventilada (“vented cells” ou “flooded cells”):



Placas mergulhadas no eletrólito;
Mecanismo permite o escape dos gases produzidos durante o
processo de carga (hidrogênio e oxigênio), com conseqüente perda
do eletrólito.
Regulada por Válvula (VRLA):


Possuem válvula reguladora da pressão interna que alivia o
excesso de hidrogênio produzido durante o processo de carga e
impede que o oxigênio da atmosfera afete a reação química,
prejudicando o rendimento e vida útil da bateria.
Os gases produzidos durante os ciclos de carga e descarga são
recombinados no interior da bateria e retornam para a composição
do eletrólito. A baixa quantidade de gás liberado a torna vantajosa
para aplicações em UPS.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
84
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Chumbo-ácidas


Eletrólito absorvido (AGM-Absorvent Glass Material):




Regulada por Válvula (VRLA):
Eletrólito impregnado em mantas de fibra de vidro microporosa,
que isola as placa positivas das negativas.
A manta distribui uniformemente o eletrólito e o mantém em
contato com o material ativo das placa.
Apresentam uma baixa resistência interna e são adequadas
para UPS que necessitam de correntes elevadas em um curto
intervalo de tempo.
Eletrólito gelificado:



Processo construtivo similar ao das baterias ventiladas.
O eletrólito é combinado com dióxido de silica formando um
composto na forma de gel.
Apresentam uma resistência interna mais elevada e são mais
indicadas para aplicações requerendo um grande tempo de
descarga.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
85
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Chumbo-ácidas
Mecanismos de Falha

Alta Impedância:




Baixa Impedância:


Corrosão das placas;
Mau contato do material ativas das placas;
Baixa Densidade Específica do Eletrólito.
Curto-circuito entre placas.
Deterioração da capacidade:




Ciclos de descarga profunda;
Temperatura Elevada;
Redução do Eletrólito;
Número Elevados de ciclos de carga-descarga.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
86
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Chumbo-ácidas
Efeitos da Temperatura

A corrente de carga e a corrosão da grade da placa positiva
aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura
do eletrólito.

Operação prolongada em níveis elevados de temperatura
diminue a vida útil da bateria.

Operação da bateria em baixa temperatura aumenta a vida útil,
mas reduz a capacidade disponível.

Ondulação da corrente circulando pela bateria e a ondulação
da tensão nos terminais da bateria provocam um aumento da
temperatura de operação da bateria.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
87
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Níquel-Cadmio
Química da Bateria:



Placa Positiva: hidrato de níquel - NiOOH
Placa Negativa: cadmio esponjoso - Cd
Eletrólito: Solução aquosa de Hidróxido de Potássio – KOH
Carga


Descarga

2 NiOOH  Cd  2H 2O


2 Ni (OH ) 2  Cd (OH ) 2
Densidade específica do eletrólito entre 1,16g/cm3 e 1,25g/cm3
e independe do estado de carga da bateria. O eletrólito não
participa da reação, apenas facilita a transferência de íons entre
as placa.
As baterias são do tipo ventilada. As baterias seladas são de
baixa capacidade e utilizadas em equipamentos portáteis.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
88
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Baterias Níquel-Cadmio
Mecanismos de Falha

A deterioração ocorre por alterações nos materiais ativos.

Não há corrosão da estrutura mecânica das placas e assim não há
o risco da redução do desempenho ou da perda súbita da
capacidade (Ah) da bateria.

A degradação da capacidade (Ah) é contínua no tempo.

As baterias de NiCd podem tolerar ciclos de carga e descarga
leves ou descargas profundas com freqüência, sem sofrer danos.

As baterias de NiCd são menos afetadas pela temperatura do que
as baterias chumbo ácidas. Por exemplo, uma bateria de NiCd
submetida a temperatura de 32C terá a sua vida útil diminuída de
cerca de 20% enquanto que a redução na bateria chumbo ácida
será de 50%.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
89
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Estratégias para a Carga de Baterias
Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente:
2)
Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização;
3)
A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no
valor da tensão de Flutuação.
0,3
3
0,25
0,2
2
0,15
0,1
0,05
1
Corrente
Tensão
0
Tensão por elemento
Etapa de carga a corrente constante;
Corrente %C(Ah)
1)
0
Tempo (h)
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
90
SEI – Sistemas de Energia Ininterrupta – EEE 924
Estratégias para a Carga de Baterias
Bateria chumbo ácida
Bateria Níquel Cadmio
Tensão de Equalização
2,3 V/el < V < 2,5 V/el
1,45V/el
Tensão de Flutuação
2,2 V/el < V < 2,3 V/el
1,42V/el
Máxima corrente de recarga
 0,2 CAh a 0,4 C20Ah
Tensão final de descarga
1,67 V/el < V < 2,1 V/el
Correção tensão Flutuação
-5 mV/C
+5 mV/C
T   25C
T   25C
1V/el
-3mV/C
+3mV/C
T   25C
T   15C
Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos
fornecidos pelo fabricante da bateria.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
91