Projeto da linha de UPS Trifásico/Trifásico - EARTH
Autores:
Humberto de Souza.
Marcelo Gomes de Souza.
ENERGYSAT TECHNOLOGIES
Lista das seções
Seção 1. Introdução
Seção 2. Descrição do sistema.
Seção 3. Projeto de Hardware.
Manual de referência do Projeto
Tabela de conteúdos.
Seção 1. Introdução
1.1 Conteudo
Funcionalidades da Aplicação.
1.2 Benefícios da Solução
Seção 2. Descrição do Sistema
2.1 Conteúdo
2.2 Concepção do sistema
2.3 Especificações do sistema
2.4 A Charada.
Seção 3. Projeto de Hardware
3.1. Conteúdo.
3.2. Opção I
3.3. Opção II
3.4. Opção III
3.5. Opção IV
3.6. Opção V
3.7. Opção VI
3.8. A placa de Controle Smpc-Tri
Seção 1. Introdução
1.1 Conteúdo
1,2 Funcionalidades da aplicação
1
1.3 Benefícios da solução
1.2Funcionalidades da aplicação
O projeto das placas de controle que fazem parte do presente sistema,
foram realizadas com o objetivo principal de se adaptar a uma vasta linha de produtos,
tais como, aquisição de dados, instrumentos de precisão, Conversores, AVR´s, VSC,s
Cycloconversores, SMPS de média potência, Sistemas de controle de motores, Sistemas
UPS, controladores de fator de potência e tantos outros
O Coração deste sistema de controles é o DSP da Freescale MC56F8346, um
processador de 60Mips com 12 geradores de PWM que podem diretamente controlar
sistemas trifásicos de controle de motores e sistemas UPS (No-Breaks) com grande
flexibilidade.
Estes PWM´s utilizados, podem controlar os seus dead times, permitindo o uso
em muitas aplicações, evitando-se as indesejáveis comutações cruzadas e permitindo o
setup de correntes DC de saída dos inversores.
Todo o sistema é ajustado e parametrizado por software externo que possui uma
interface gráfica amigável, facilitando a sua utilização.
O presente trabalho descreve a linha de UPS “Earth” Trifásica/Trifásica com o
amplo range de potência de 10 Kva até 1000Kva que possui uma série de avançadas
características técnicas, exibindo uma flexibilidade espantosa, fazendo funcionar uma
série de topologias e arquiteturas de sistemas e equipamentos.
1.3 Benefícios da solução.
A presente família de sistemas UPS apresenta diversas características que a torna
atrativa como solução. Primeiramente é a sua simplicidade,. Foi reduzida a expressão
mínima. É praticamente impossível se projetar algo menor que isso. Todas as operações
são realizadas através de Software, sendo o Hardware apenas mensageiros ou seja, são
simplesmente, condicionadores de sinal que adequam, por exemplo as tensões e correntes
ao seu nível operacional. Os drivers de saída que vão comutar as chaves de potência, são
comandados diretamente pelo DSP, passando-se simplesmente por um gate lógico, o qual
a única função é a de elevar os níveis de 3.3 Volts empregados no DSP para o nível de 5
Volts da entrada dos gate drivers dos IGBT´s de potência.
As amostragens são feitas únicamente por divisores de tensão, sendo que em
alguns casos, passam por amplificadores e isoladores galvânicos como é o caso da
amostragem da tensão de saída DC..
Toda a cabeação de controle do sistema é realizada através de “Flat Cables”,
evitando-se com isso erros humanos, sendo que somente parte dos circuitos de potência é
feito por cabos singelos. Para este propósito, os circuitos eletrônicos são postos o mais
perto possível de seus locais de trabalho e somente fios singelos muito curtos de controle
são usados nestas aplicações.
Com operação de 60 Mips e um extensivo range de instruções (Como
Multiplicadores MAC ) possibilitou a implementação de funções complexas, evitando-se
com isso, o emprego de circuitos para realizar as complexas funções necessárias. Desta
forma, uma grande simplificação foi possível, reduzindo de forma significativa o custo e
aumentando de forma efetiva a confiabilidade do sistema, já que possui circuitos muito
simples..
Vantagens do presente sistema:
•
•
•
Alta confiabilidade - O sistema é baseado no processamento digital de sinais
com o mais baixo número de circuitos e componentes possível, apresentando
altíssimos valores de MTBF (Mean Time Between Failures) e devido a sua
modularidade, baixos valores de MTTR (Mean Time To Repair).
Alta precisão – Todas as medidas feitas apresentam alta precisão e foram
feitas na sua forma adequada tais como TRUE RMS nas medições e controle
de AC (Tensões e correntes) e valores médios para sinais DC. Tudo em tempo
real e implementados por filtros de processamento digital de sinais.
Conectividade – É bastante símples. Já existe RS232 ou RS485 e módulos
ETHERNET e FAST ETHERNET externos, implementando todos os mais
importantes protocolos INTERNET de camada de aplicação, HTTP,
TELNET< SNMP e SMTP e adicionalmente poderemos prover uma grande
gama de softwares e mesmo a implementação de um novo tipo costumizado.
Seção 2. Descrição do sistema
2.1 Conteúdo.
2.2 Conceito do Sistema
2.3 Especificações do Sistema.
2.2 Conceito do sistema.
Este sistema foi especialmente projetado para suprir cargas críticas, tais como,
equipamentos médico e cirúrgicos, instrumentos medidores de alta precisão,
computadores, Robôs, sistema de tecnologia da informação, radares, sistemas de defesa e
toda uma sorte de equipamentos que dependam de suprimento ininterrupto de energia.
O sistema foi projetado em uma base de alta tecnologia, empregando
processamento digital de sinais, utilizando redundâncias e testes de consistência de
informação. Os conversores de eletrônica de potência foram otimizados para terem o
máximo fator de utilização de potência através de minimização de comutações, bem
como o emprego das mais avançadas topologias que redundam no máximo de eficiência
energética.
Objetivando ter a maior eficácia possível, o projeto foi realizado com os mais
variados tipos de topologias, sendo cada topologia, encaixada para aquela aplicação em
particular, seja a da otimização da faixa de potência, seja a da aplicação específica.
A topologia fica sensível ao tipo de isolação que se objetiva ter, por exemplo,
pode-se ter transformador de isolação na entrada, bem como pode-se transladá-lo para a
saída, mudando-se a topologia de potência dos conversores e periféricos para cada
aplicação. Pode-se ajustar o software para cada aplicação, alterando-se com isso a
estratégia de geração e controle da tensão de saída e dependendo da topologia, instalar
uma versão para aquela aplicação específica.
O inversor trifásico apresenta uma ponte de seis braços de IGBTs, funcionando
em alta frequência. A síntese da forma de onda de sua saída é realizada por PWM (Pulse
Width Modulation), sendo gerada internamente pelo processador digital de sinais. Estas
formas de onda, bem como todos os cálculos necessários à ação de regulação da tensão e
corrente de saída, são feitas por ele.
Dependendo da topologia adotada, a forma de onda de saída pode assumir
diferentes configurações, podendo ser geradas formas de onda com alto conteúdo
harmônico que será cancelado automaticamente pelo sistema trifásico, de forma a se
otimizar a tensão de saída da ponte, onde poderemos ter tensões de pico maiores que a
tensão do barramento DC de entrada.
A concepção do PFC (Power factor converter) dependerá da arquitetura do
sistema, podendo assumir diversas configurações e topologia, inclusive para as altas
potências, onde poderão ser adotadas soluções de retificadores de 6, 12 e de 18 pulos
através do emprego de retificadores por transformadores interfásicos que apresentam
altíssimo fator de utilização dos seus magnéticos de entrada, utilizando transformadores
interfásicos que em sua potência máxima (Somatória de todas as potências dos
transformadores interfásicos) manipulam 12% da potência total.
Tudo isso está previsto nas diferentes versões de sofware, bem como nos setups
que poderão ser feitos através do “UPS Monitor Factory.
O projeto de potência emprega os mais refinados conceitos tecnológicos. Somos
consultores na área de magnetismo de grandes empresas internacionais e desta forma
somos uns dos poucos especialistas no mundo de efeitos magnéticos complexos, o que
nos possibilita,já há muitos anos, projetar componentes magnéticos sofisticados. Estamos
utilizando como elementos filtrantes, indutores de difícil dimensionamento que trabalham
com frequências de 20 Khz com grandes amplitudes e excursões de corrente . Estes
conhecimentos nos permite trabalhar com indutores de gap distribuído otimizados e nos
grande equipamentos com indutores de ferrite normal em configuração planar de alta
potência criados, desenvolvidos e patenteados por nós.
Os IPM´s (Inteligent Power Modules) são de última geração e apresentam
altíssima confiabilidade com proteção eficaz face a altas correntes, sobrecargas e curto
circuitos.
Os gate drivers são de nossa fabricação e também são eficazes e confiáveis,
principalmente os utilizados com os IPM que são bastante símples..
Especificações do sistema..
RETIFICADOR.
Tensões do Sistema. Depende do sistema a ser adotado, sendo em princípio qualquer
valor.
Limites da tensão de entrada: ±15% ou . ±20%
Input Power:: Este projeto está feito para a faixa de 10Kva à 1Mva.
:Fator de potência de Entrada: 0.985 para retificadores LIT, 096 para Retificadores de 6
pulsos e 0.99 para conversores PFC
Tensão de Saída DC: Entrada do Inversor. (Depende da potência) .
Regulação estática da tensão de saída – Melhor que : ±1% para a tensão de entrada dentro
dos limites especificados e corrente de saída dentro de 0 a 100%
Regulação dinâmica – Melhor do que ±8% com tempo de recuperação menor que 100ms.
Frequência de entrada dentro de 60 Hz .±1%
INVERSOR:
Potência de Saídar: de 10Kva a 1Mva
Tensão de Saída Conforme especificado..
Regulação estática : Melhor que ±0.5 % True RMS para qualquer combinação entre a
tensão de entrada dentro dos limites especificados e potência de saída de 0 a 100% .
Limites da tensão de entrada: de 1.75V/Elemento a 2.4Volts/Elemento
Regulação dinâmica.:
Limites do transiente: ±8%.
Tempo de recuperação:1 Ciclo.
Frequência 60 Hz
Desvio de frequencia: Melhor que ±0.03Hz % .
Distorção Harmônica – Melhor do que 2% ..
Impedância subtransitória – Melhor do que 4%
Fator de potência 0.7 a to 09 Indutivo, centrado em 0.8 para a definição da potência
nominal.
Eficiência – Depende da potência do sistema, mas sempre superior a 95 %
Sobrecarga : 25% em 1 minuto.
100% in 1 segundo
Maior do que 100 %, desligamento imediato.
Outros valores podem ser estabelecidos, pois este é definido pelos
elementos de potência
Seção 3. Projeto de Hardware
3.1. Conteúdo.
3.2 A opção I
3.3. A Opção II
3.4 A Opção III
3.5. A Opção IV
3.6 A Opção V
3.7 A Opção VI
3.8 A placa de controle Smpc-Tri
.
Este UPS foi desenvolvido de forma aberta. Seus dispositivos de controle podem
comandar uma extensa linha de arquiteturas e topologias de sistema ininterruptos. Nós
desenvolvemos todos os softwares para controlar todas as opções abaixo relacionadas e
todas elas apresentam altíssima performance.
Todo este trabalho é original, muitos dos conceitos aqui utilizados, são de nosso
uso por mais de 20 anos e muito antes das empresas que os usam nos dias de hoje sequer
existirem. Evidentemente não criamos pontes trifásicas nem retificadores LIT, mas
técnicas como injeção de harmônicos, sim e todas as técnicas de regulação adotadas já
faziam parte de projetos nossos já em uso desde 1990.
Um dos primeiros UPS controlados por DSP no mundo e com conceito de Power
on demand, foi desenvolvido para a SEMIKRON cujo primeiro equipamento foi
fabricado em 1994 e entregue para a Shell do Rio de Janeiro. O projeto era inteiramente
nosso.
O conceito de Power on demand foi iniciado por um UPS controlado a
microcontrolador Z80 vendido para a Telesc e entregue em 1990 pela Indelsul S/A que
foi vendida posteriormente para a Alcatel e se transformou em SAFT.. Os inversores
utilizavam transistores de potência bipolar e os módulos de potência trabalhavam em
paralelo formando um UPS de 125 Kva. A forma de onda gerada por eles era a
mesmíssima utilizada nos nossos equipamentos atuais que é a de injeção de harmônicos.
O retificador era LIT octodecafásico.e os conversores Boost eram com interleave e de
comutação suave ZCS/ZVS (Bordo de subida;Descida)..
Trago isso agora para demonstrar que o presente trabalho é devido a uma extensa
linha de produtos desenvolvidos por nós, que foram se sedimentando e desembocando
nesta tecnologia atual..
Mesmo este projeto atual, que apesar de ser um dos produtos mais modernos do
mercado, o seu projeto foi terminado em dezembro de 2003, quando foi lançado este
DSP, pois este equipamento foi desenvolvido a partir de informações confidenciais da
MOTOROLA e foi o primeiro equipamento em todo mundo a ser desenvolvido com este
DSP. O termino de seu projeto se deu no lançamento internacional do DSP pela
Motorola.
De qualquer forma, estes controles não se restringem às topologias apresentadas,
podendo com pequenos ajustes, controlar muitas outras, porém pelo limitado espaço
neste trabalho, omitiremos estas opções.
A opção I
Nesta opção, temos o transformador na entrada que bifurca duas alimentações por
seus dois secundários isolados. Uma alimentação vai para a entrada do PFC e a outra vai
para a entrada da chave de backup.
O transformador possui blindagem eletrostática dupla de forma não só a proteger
os elementos de comutação mas também reduzir o ruído da rede comercial a valores
inexpressivos, melhorando sensivelmente a compatibilidade eletromagnética.
A grande vantagem desta opção é a otimização da ponte inversora, pois adotandose o sistema de injeção de harmônicas podemos melhorar o seu desempenho em mais de
22%, pois por um lado, aumentamos a tensão de saída em cerca de 18% e por outro lado
reduzimos em 33.3% o número de comutações dos IGBT´s. Dependendo do
balanceamento entre perdas de condução e perdas de comutação poderemos ter um ganho
ainda maior.
O inconveniente é de que devido a assimetria apresentada pela ponte, não
podemos ter um neutro acessível, precisando criá-lo artificialmente e para tal,
necessitamos ter uma conexão Scott que cria um neutro virtual, utilizando auto
transformadores de baixa potência.
Tensão de um dos braços da Ponte:
1.05
YAx
Y
0
ωτ x
0
2⋅ π
Tensões relativas aos três braços da ponte:
YAx
YBx
ωτ x
YCx
ωτ x
ωτ x
Outra vantagem é que com a colocação do transformador na entrada do
equipamento, este possui uma potência bem menor, pois o inversor elimina a reatividade
imposta pelo fator de potencia, apresentando em sua entrada somente a potência ativa já
que o fator de potência de entrada é unitário.
Desvantagens: Com a geração de neutro, as tensões desenvolvidas pela comutação a
20khz estão presentes nos terminais da bateria, desta forma este sistema é extremamente
ruidoso, sendo necessários cuidados especiais com a tensão da bateria e com os cabos.
Não é aconselhável o seu uso em sistemas sensíveis a ruído e em telecom, porém
pode ser utilizado para a alimentação de sistemas industriais, onde o ambiente é ruidoso
por natureza.
Uma outra desvantagem é a utilização do gerador de neutro artificial, pois
emprega dois transformadores adicionais.
3.3.
A Opção II
Nesta opção, ainda temos o transformador na entrada que bifurca duas
alimentações por seus dois secundários isolados. Uma alimentação vai para a entrada do
PFC e a outra vai para a entrada da chave de backup.
A geração do neutro é natural, fazendo-se um tap central nos capacitores de filtro
de entrada do inversor. Neste caso o capacitor deve ser dimensionado para suportar a
corrente de ripple máxima do sistema, incluindo aquela gerada pelo desequilíbrio
máximo especificado para o inversor.
A ponte inversora comuta todo o tempo e com mais baixa tensão de saída que a
opção anterior, desta forma o seu fator de utilização é bem pior.
Os indutores manipulam corrente maior e também maior conteúdo de alta
frequência, fazendo com que o fator de utilização seja bem menor que o caso anterior.
3.4 A Opção III
Nesta opção o transformador foi transladado para a saída o que apresenta algumas
inconveniências. Primeiro é a corrente de inrush do transformador na partida do inversor,
pois apesar deste apresentar entrada gradativa, a partida da chave estática se dá a plena
tensão.
Deve-se conectar o primário do transformador de forma síncrona nos picos de
tensão fase-fase, pois neste momento o fluxo estará passando pelo zero, e desta forma
evitaremos as correntes de inrush. É interessante mas não imperativa a utilização de gap
no transformador de potência. Isto reduz o efeito da corrente DC residual. O gap evitaria
um sobredimensionamento do transformador, permitindo-o trabalhar com mais densidade
de fluxo AC.
Neste caso também é adotada a forma de onda rica em harmônicos da mesma
forma que a primeira opção e dessa maneira otimizamos a ponte inversora e não temos o
problema da geração de ruído, já que não temos a necessidade de neutros artificiais.
Talvez esta seja a forma mais econômica, mas fica o problema do
sobredimensionamento do transformador de saída.
3.5. A Opção IV
Esta opção é muito importante para os casos de UPS sem transformador, pois o
neutro é comum entre a entrada e saída.
Como PFC emprega um conversor especial da EnergySat que manipula o neutro
em suas comutações. Opera em CCM e utiliza uma técnica original Bang Bang (Modo
deslizante), criada e desenvolvida pela EnergySat.
É a menos ruidosa de todas e permite ajustes automáticos da tensão, por exemplo
208/220/380 na entrada e na saída.
É muito interessante nos sistemas paralelo redundante e o transformador isolador
de entrada pode ser um só para todos os UPS do paralelo, já que intrinsecamente um
transformador apresenta altíssimo índice de confiabilidade e não irá contribuir para a
redução da disponibilidade do sistema..
Os inconvenientes são: A Ponte de saída tem um baixo fator de utilização, e a
geração do nutro artificial do inversor, realizado por capacitores
3.6 A Opção V
A tônica deste sistema é o preço baixo, talvez seja o mais baixo de todos, pois
emprega um retificador de 6 pulsos a diodos em sua entrada.
O inconveniente é o de apresentar baixo fator de potência em sua entrada, (Aprox
0.96 exibindo com isso, alta distorção harmônica da corrente) podendo porém ser
compensado por filtros especiais, o que elevaria o seu preço. É uma boa opção para
clientes pouco exigentes e apresenta um preço bastante baixo.
A regulação da tensão e corrente é feito por conversor boost que não só eleva a
tensão aos níveis necessários ao sistema de baterias, bem como casa as impedâncias de
entrada e de saída do sistema retificador.
É uma opção natural para grandes potências e preços baixos.
Opção VI
Esta também é uma opção barata para altas potências, mas diferentemente do caso
anterior, apresenta alto fator de potência (Da ordem de 0.985).
Emprega em sua entrada retificador LIT (Line Interphase Tranformer) que são
transformadores interfásicos que na sua totalidade manipulam potências da ordem de
12% da potência total do sistema.
Também neste caso a regulação de tensão e corrente é feita através de conversor
boost que adicionalmente casa as impedâncias de saída e entrada do retificador, bem
como adéqua o nível de tensão aos requisitos das baterias.
Existem várias versões e configurações, mas a mais importante é composta por
dois equipamentos básicos, sendo um duodecafásico (12 Pulsos) e outro octo decafásico
(18 Pulsos). Todos dois são bastante símples e de fácil construção.
É indicado para equipamentos de grande porte, onde o preço é importante.
3.8 A placa de controle Smpc-Tri.
A placa de controle Smpc-Tri é uma placa desenvolvida para controlar sistemas
trifásicos. Emprega um DSP de 60 Mips e utiliza rotinas DSP originais.
O controle é exercido por rotinas de RMS Steppest descent method quadráticas
realizadas por sistemas digitais de sinais, tendo sido originalmente desenvolvidos em
matemática contínua e transformadas para o domínio de dados.
A ação de regulação é feita por controle de erro quadrático que aumenta a
velocidade de resposta do sistema e faz a regulação RMS. Adicionalmente para a
regulação da tensão de entrada é utilizado um sistema de regulação feed forward que
rapidamente controla a tensão de saída devido às variações da tensão de baterias. Isso
também ajuda a minimizar a modulação da envoltória da tensão de saída do sistema
devido a sua ação reguladora.
O sistema testa a consistência dos dados de forma a criar redundâncias “virtuais”
no sistema, evitando com isso que a carga possa sofrer problemas com a sua alimentação.
Ex. Se a amostragem da tensão de saída DC é perdida o equipamento desliga-se, evitando
que sobretensões perigosas possam ser geradas na saída do sistema.
Existem duas versões da Smpc-Tri, uma com acoplamentos elétricos e outra com
acoplamentos através de fibra óptica. A fotografia seguinte é a placa de acoplamentos por
fibra optica:
Todos os ajustes são feito através de software externo a menos dos ajustes de
rejeição de modo comum de 3 amplificadores diferenciais e do ajuste da referência do
sistema.
Os portões. Os dispositivos cinza nas bordas esquerda e superior da placa são
transmissores de fibra óptica que são usados para o comando dos drivers dos estágios de
potência, sendo que esta placa óptica, é utilizado em sistemas de potências mais altas,
acima de um determinado nível. Nas altas potências, as tensões de bateria são elevadas,
redundando em um ambiente ruidoso, devido as comutações de alta frequência, que
mesmo empregando-se artífícios para melhorar os problemas decorrentes, a utilização de
fibras ópticas eliminam totalmente qualquer perigo de interferência eletromagnética sobre
os controles.
Ups completo de 30 Kva: :
É o menor equipamento de sua classe, principalmente devido a sua símplicidade.
Este gabinete serve a equipamentos de até 30 Kva.
As suas dimensões são Altura: 1110, Largura: 550, Profundidade: 330