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6. CONVERSORES CC-CA COMO FONTES DE ALIMENTAÇÃO COM
FREQUÊNCIA FIXA
Serão estudados neste capítulo os conversores CC-CA que fornecem em suas saídas tensões com freqüência fixa, para aplicação como fonte de tensão, especialmente em fontes de alimentação ininterrupta (chamadas de “no-break” ou “UPS - Uninterruptible Power Supplies”, em inglês). Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia elétrica não pode ser interrompido deve prever uma fonte de emergência para supri-lo. Quando a potência instalada é muito grande tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato, alimentado a partir de baterias, e um sistema motor-gerador que, por necessitar de alguns minutos para estar em condições ideais de operação, não pode ser usado de imediato. Tal arranjo é usado, por exemplo, em centrais telefônicas, hospitais, etc. Quando as cargas críticas são distribuídas, como no caso de microcomputadores, podem- se usar UPSs modulares, de acionamento imediato, e capazes de manter a operação do equipamento por um tempo suficiente para que não sejam perdidas operações que estavam em curso (tipicamente os tempos são da ordem de dezenas de minutos). Além disso, os sistemas mais modernos devem ter a capacidade de trocar informações com os computadores, de forma a otimizar seu funcionamento, mas isto não será tema deste curso. Interessam aqui as topologias empregadas na realização dos conversores de potência que, a partir de uma fonte CC produzem uma saída alternada, seja ela senoidal ou não.
6.1 Requisitos de qualidade na alimentação de equipamentos sensíveis
Especialmente para os equipamentos de computação, são estabelecidos limites em termos da qualidade da energia a ele suprida. No entanto, graças à ação de grandes usuários (especialmente militares), a CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer’s Association) adotou as curvas mostradas na figura 6.1. Estas curvas aparecem na norma IEEE 4 46 como “prática recomendada para sistemas de alimentação de emergência, em aplicações industriais e comerciais”. Para equipamentos de tecnologia da informação, foi definido pelos fabricantes a curva ITIC, também mostrada na figura 6.1. As curvas definem um envelope dentro do qual deve estar o valor da tensão suprida ao equipamento. Ou seja, quando os limites forem violados, o sistema de alimentação ininterrupta deve atuar, no sentido de manter a alimentação dentro de valores aceitáveis. Em outras palavras, se a tensão de alimentação estiver dentro dos limites não devem ocorrer mal-funcionamentos do equipamento alimentado. Violações dos limites podem, então, provocar falhas, que devem ser evitadas. Via de regra, quem suporta a alimentação do equipamento na ocorrência de falhas de curta duração são as capacitâncias das fontes de alimentação internas, de modo que, eventualmente, mesmo violações mais demoradas do que aquelas indicadas podem ser suportadas. Nota-se na figura 6.1 que, em regime, a tensão deve estar limitada a uma sobretensão de 6% e uma subtensão de 13%. Quanto menor a duração da perturbação, maior a alteração admitida, uma vez que os elementos armazenadores de energia internos ao equipamento devem ser capazes de absorvê-la. Assim, por exemplo, a tensão pode ir a zero por meio ciclo, ou ainda haver um surto de tensão com 3 vezes o valor nominal (eficaz), desde que com duração inferior a 100 s.
Figura 6.1 Envelope de tolerância de tensão típico para sistema computacional (adaptado da norma IEEE 466). Curva CBEMA (acima) e curva ITIC (abaixo).
Uma outra definição em termos da tensão suprida é a Distorção Harmônica Total (THD) que tem um limite de 5%. Além disso, para alimentação trifásica, tolera-se um desbalanceamento entre as fases de 3 a 6%. No que se refere à freqüência, tem-se um desvio máximo admissível de +0,5Hz (em torno de 60Hz), com uma máxima taxa de variação de 1Hz/s.
Chave estática ("by-pass") Bateria
Retificador Inversor
Linha
Equipamento
(a) Linha Prioritária
Chave estática ("by-pass")
Bateria
Retificador Inversor
Linha
Equipamento
(b) Inversor Prioritário
Bateria
Inversor
Linha Equipamento
Carregador
L
B A
(c) Interativo com a linha
Figura 6.2 Configurações de UPS.
O fato de não fazer uso de dupla conversão, ou seja, o retificador não está inserido na alimentação da carga, faz com que o rendimento do conjunto seja superior ao da estrutura “Inversor prioritário”, de modo a ser aplicável em potências mais elevadas.
6.3 Outras Características de UPS
6.3.1 Forma de onda da saída
A obtenção de uma onda senoidal (em um conversor CC-CA) é mais complexa do que uma tensão de forma quadrada. Por este motivo, as UPS de baixa potência e para cargas não altamente críticas, podem fornecer uma tensão quadrada em sua saída e utilizam uma configuração do tipo Linha preferencial. Como, normalmente, alimentam pequenos computadores de uso pessoal, os quais tem um estágio de entrada com um retificador a diodos e filtro capacitivo, o parâmetro principal é que a tensão possua o mesmo valor de pico da tensão normal (rede). Comparativamente a uma onda senoidal, tal tensão apresentará um maior valor
eficaz, mas que não traz maiores conseqüências. Dado o espectro da onda produzida, haverá um maior aquecimento em transformadores e indutores eventualmente presentes, mas que, dado o curto prazo de atuação da UPS, em geral não causam maiores problemas. Em sistemas de maior porte e criticidade são usados inversores com saída senoidal.
6.3.2 Isolação elétrica
A isolação elétrica entre entrada e saída é necessária quando, por motivo de segurança ou de norma, deve-se aterrar um dos terminais da saída. Dois tipos de isolação podem ser utilizados: em baixa ou em alta freqüência. Como se sabe, quanto maior a freqüência de operação, menores as dimensões do transformador, o que tende a reduzir custo, volume e peso. No entanto, isolação em alta freqüência é possível apenas em alguns pontos e para algumas topologias dos conversores CA-CC e CC-CA. Já a isolação em baixa freqüência pode ser colocada na entrada (rede) ou na saída da UPS.
6.3.3 Paralelismo
Conectar em paralelo duas ou mais UPSs é necessário quando se deseja ampliar a potência instalada ou aumentar a confiabilidade do sistema. No primeiro caso, o fator determinante é o econômico, quando é mais barato utilizar uma UPS adicional para alimentar um acréscimo de carga do que trocar todo o sistema já existente. No outro caso, para cargas muito críticas, a redundância torna-se necessária. As questões a serem consideradas são diversas: deve-se garantir que as tensões de saída sejam idênticas e que as correntes sejam igualmente distribuídas; em caso de falha de qualquer uma das UPS, as demais devem ser capazes de manter o equipamento crítico em operação; para manter a identidade das tensões, uma das UPS deve produzir a referência para as demais; em caso de falha, uma outra deve assumir tal função.
6.4 Componentes de uma UPS estática
6.4.1 Retificador
O retificador, além de produzir a tensão cc que alimenta o inversor tem também como função manter as baterias carregadas. As baterias serão adequadamente carregadas desde que a tensão de saída do retificador seja um pouco superior à tensão nominal das baterias, de modo a suprir as perdas devidas às quedas resistivas presentes. Tensões menores não permitirão um processo adequado de recarga, enquanto tensões muito elevadas podem produzir correntes excessivas, levando à eletrólise. Caso as baterias estejam muito descarregadas, é possível que o retificador tenha seu limite de corrente atingido. Em tal caso, a recarga é feita a corrente constante, até que a tensão suba a níveis adequados. Considerando adicionalmente a possibilidade de variação da tensão da linha, pode-se concluir que o retificador deve ser do tipo controlado. A solução mais simples e barata é usar um retificador a tiristores, com controle da tensão de saída através da variação do ângulo de disparo, como mostrado na figura 6.3.
Vo (^) Vo
Figura 6.5 Retificador MLP e conversor elevador de tensão para correção de fator de potência.
6.4.2 Inversor
O inversor é o principal constituinte de uma UPS, uma vez que é ele quem determina a qualidade da energia fornecida à carga. Deve fornecer uma tensão alternada, com freqüência, forma e amplitude invariantes, a despeito de eventuais alterações na alimentação CC ou na carga. A configuração básica é mostrada na figura 6.6, para um inversor trifásico. Uma saída monofásica pode ser obtida utilizando-se apenas 2 ramos, ao invés de 3.
Vcc (^) Vca
Figura 6.6 Inversor trifásico.
6.4.2.1 Inversor com saída quadrada
Consideremos o circuito de um inversor monofásico como mostrado na figura 6.7. As leis de modulação são numerosas, a mais simples talvez seja a que produz uma onda retangular, na própria freqüência de saída que se deseja. Em tal caso, uma tensão positiva é aplicada à carga quando T1 e T4 conduzirem (estando T2 e T3 desligados). A tensão negativa é obtida complementarmente. O papel dos diodos é garantir um caminho para a corrente em caso de a carga apresentar característica indutiva. Note que a condução dos diodos não afeta a forma da tensão desejada. Este tipo de modulação não permite o controle da amplitude nem do valor eficaz da tensão de saída.
Ia
D4 T4 D3 T
A
B
T2 T
Carga Monofásica
D2 D
Vs
VS
I (^) A
+E
T1/T
T2/T
D D
D D
E
Figura 6.7. Inversor monofásico e forma de onda quadrada de saída (carga indutiva).
6.4.2.2 Inversor com saída quase-quadrada.
Uma alternativa que permite ajustar o valor eficaz da tensão de saída e eliminar algumas harmônicas é a chamada onda quase-quadrada, na qual se mantém um nível de tensão nulo sobre a carga durante parte do período, como mostrado na figura 6.8. Para obter este tipo de onda, uma possibilidade é a seguinte: quando se deseja tensão positiva na carga mantém-se T1 e T4 conduzindo (T2 e T3 desligados). A tensão negativa é obtida complementarmente. Os intervalos de tensão nula são obtidos mantendo T1 conduzindo e desligando T4. Com corrente positiva, D2 entrará em condução. Quando T1 desligar D3 entra em condução, aguardando o momento em que T2 e T3 conduzem, o que ocorre quando a corrente se inverte. O intervalo de tensão nula seguinte é obtido com o desligamento de T3 e a continuidade de condução de T2. Nota-se que estão presentes os múltiplos ímpares da freqüência de chaveamento, o que significa que a filtragem de tal sinal para a obtenção apenas da fundamental exige um filtro com freqüência de corte muito próxima da própria freqüência desejada. Este espectro varia de acordo com a largura do pulso. Para este caso particular não estão presentes os múltiplos da terceira harmônica. V (^) S
I (^) A
+E
- E 0 o^120 o^180 o^300 o^360 o
T1/T
T2/T
T1/D
T2/D
D2/D
D1/D
Figura 6.8 Forma de onda quase-quadrada.
6.4.2.3 Inversor ferro-ressonante
A obtenção de uma onda senoidal a partir de ondas quadradas é possível através de filtragem. O tamanho do filtro é determinado não apenas pela quantidade de harmônicas que se quer minimizar, mas também pela freqüência de tais harmônicas. Quanto menores forem as freqüências, maior será o filtro (maiores valores de indutância e capacitância com conseqüente maior volume e peso). Quanto menor for o filtro (menor impedância) melhor será a regulação de tensão na saída, especialmente em situações transitórias, uma vez que valores elevados de indutância e capacitância produzem respostas lentas a perturbações. Além disso, as distorções introduzidas pela carga distorcerão menos a tensão fornecida. O conceito básico do inversor ferro-ressonante é sintonizar um filtro na freqüência desejada na saída (50 ou 60Hz), de modo a eliminar as harmônicas. Adicionalmente o conversor apresenta outras importantes características para uma UPS, quais sejam: regulação da tensão de saída e limitação da corrente. A figura 6.9 mostra o esquema básico do conversor.
