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10. Sistemas de fornecimento de energia ininterrupta – UPS

Um fator de fundamental importância em um sistema de telecomunicações é o grau de disponibilidade do serviço, como não se pode confiar 100% no fornecimento de energia da concessionária, o uso de sistemas de backup energético são praticamente obrigatórios em serviços que operam em regime integral de funcionamento. O fornecimento de energia adequada para os equipamentos é vital para evitar interrupções no serviço, além de aumentar sua vida útil dos equipamentos, evitando danos e até perda de configurações. Outro benefício intimamente ligado a este sistema é garantir que os indicadores de qualidade e disponibilidade exigidos pela Anatel ou órgão regulador sejam atendidos corretamente.

Existem vários tipos de sistemas de fornecimento de energia ininterrupta, sendo que a opção por um ou vários deles irá variar de acordo com as necessidades do projeto. As principais variáveis neste tipo de sistema são a potência de fornecimento necessária e o tempo em que esta energia deve ser fornecida.

10.1 Principais tipos de sistema UPS

10.1.1 Nobreaks

Nobreaks são equipamentos que possuem basicamente uma ou várias baterias internas, conversores AC/DC , DC/AC e filtros. Estes equipamentos são instalados entre a rede de energia da concessionária e o sistema de telecomunicações a ser protegido conforme a figura 27.

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Figura 30 – Diagrama básico de um nobreak

Em condições normais a corrente alternada fornecida pela concessionário é convertida em corrente contínua para carregar as baterias internas do nobreak ao mesmo tempo em que alimente o sistema de telecomunicações, no caso de falta de fornecimento de energia, as baterias do nobreak serão ativadas e o conversor DC/AC passa a converter a corrente contínua das baterias em corrente alternada para alimentar a carga, que neste caso representa todo o sistema. A Eficiência do inversor é uma fator importante e que deve ser levado em consideração, ela irá definir a quantidade de energia gasta pelo próprio nobreak, impactando diretamente na quantidade de potência entregue a carga.

Existem nobreaks para sistemas que demandam baixa, média e alta potência, porém na maioria dos casos, nobreaks são utilizados para manter sistemas funcionando por curtos espaços de tempo, apenas o suficiente que os arquivos e trabalhos sejam salvos ou então para que um grupo motor gerador (GMG) seja ativado e assuma a operação assim que a sua carga entre em fase com a carga gerada pelo nobreak, conforme demonstrado na figura 28.

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Figura 31 – Variações de tensão em sistemas de energia

Pelo gráfico é possível demonstrar que o fato de o nobreak possuir uma menor inércia para entrar em operação, faz com que ele seja capaz de assumir e manter a carga do sistema rapidamente em caso de falta de fornecimento de energia. Suas baterias podem se esgotar rapidamente porém é tempo suficiente para que o grupo motor gerador (que possui maior inércia) seja ativado e entre em operação.

10.1.2 Banco de Baterias

Um banco de baterias possui o mesmo objetivo de um nobreak, porém é mais utilizado para manter o fornecimento de energia para sistemas de médio a grande porte por longos períodos de tempo, podendo até mesmo tornar desnecessário o alto investimento em um grupo motor gerador.

O diagrama esquemático de um banco de baterias é muito semelhante ao da figura 26, sendo que neste caso o foco está no dimensionamento das baterias. Este tipo de sistema, geralmente utiliza baterias de 12 Volts porém a principal característica da bateria é a sua capacidade de corrente em Amperes / Hora, ou seja, quantos Amperes determinada bateria consegue fornecer durante o período de 1 hora. Esta informação pode dizer quanto tempo uma bateria pode manter um determinado sistema funcionando.

Existem duas maneiras de aumentar o tempo de autonomia de um sistema, pode-se utilizar baterias de alta capacidade (A/H) ou então se pode conectar varias baterias em paralelo criando um “Array de baterias” de forma que todas elas funcionem como se fosse uma única bateria de alta capacidade, conforme demonstrado na figura 29.

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Figura 32 – Baterias em paralelo

Seguindo os princípios de circuitos elétricos, a tensão na saída do circuito será constante, porém sua capacidade de corrente irá aumentar proporcionalmente a quantidade e capacidade das baterias, por exemplo, duas baterias de 12 volts e 20 A/h ligadas em paralelo será igual a uma bateria de 12 volts e 40 A/h.

10.1.3 Grupo motor gerador

Grupos motores geradores são motores estacionários movidos a diesel, que entram em operação em regime emergencial visando suprir o fornecimento de energia elétrica para sistemas de grande porte durante longos períodos de tempo. Possuem como principais características a inércia de funcionamento, que é o tempo em que eles levam para entrar em operação plena, a potência gerada pelo motor e também a quantidade de ruído gerada pelo GMG, fato que faz com que eles sejam utilizados dentro de salas isoladas acusticamente ou dentro de cabines silenciadoras.

10.2 Influência do Fator de potência

Definição de potência:

Potência é a variação da energia liberada ou absorvida em função da variação no tempo”

Fonte: Fundamentals of Electric Circuits, Charles Alexander,Matthew Sadiku

  • Circuitos CC

    • A potência (watts) é descrita simplesmente pelo produto da tensão (volts) pela corrente (amperes)

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  • Circuitos CA

    • Potência aparente total

      • Corresponde a parte da corrente CA (Ampères) que flui, indo e voltando da carga sem a entrega da energia ao sistema.

      • Medida em Volt-Amperes (VA)

      • Possui um valor igual ou maior que a potência real.

    • Potência Real

      • Corresponde a potência realmente consumida pela carga, é capacidade do circuito em produzir trabalho em um determinado período de tempo.

      • Medida em Watts (W)

    • Fator de potência

      • O Fator de Potência é a razão da potência real pela potência aparente total.

        • Fator de potência é um número adimensional em 0 e 1.

      • Ou seja, a potência real em circuitos CA é o produto da potência aparente pelo fator de potência.

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10.2.1 Tipos de fontes

  • Fontes com PFC (Power Factor Correction)

    • São fontes de energia em que a diferença entre a potência aparente e a potência real é muito pequena.

    • Possuem fator de potência muito próximo de 1, sendo os valores típicos de 0,70 e 0,99.

    • Equipamentos de boa qualidade ou de importância mais crítica como roteadores, switches, PABX e servidores possuem fontes com o fator de potência corrigido.

  • Fontes sem PFC (Power Factor Correction)

    • São fontes de energia de baixa qualidade, em que a diferença entre a potência aparente e a potência real é grande.

    • Possuem fatores de potência típicos de 0,10 ~ 0,69.

    • Equipamentos de baixa qualidade geralmente utilizam fontes sem correção de fator de potência. Muito comum em Pcs domésticos.

10.3 Exemplo de dimensionamento de um banco de baterias

Condições de simulação:

  • Carga de equipamentos

    • 5 roteadores com fontes de 150watts com PFC (Total de 750W)

    • 2 switches com fontes de 100 watts com PFC (Total de 200W)

    • 2 Pcs fontes de 200watts sem PFC (Total de 400W)

  • Sistema de UPS

    • Utilizar baterias de 12v

    • Inversor possui uma eficiência de 85% e fornece uma tensão CA de 115v na saída.

    • Considerar 10% de margem de segurança.

  • Tempo de backup de energia

    • O banco de baterias deve fornecer uma autonomia de pelo menos 30min.

A partir destas informações, vamos utilizar o módulo de fornecimento de energia ininterrupta do Jubarte (UPS) dentro da categoria de Banco de Baterias, para dimensionar a bateria ou array de baterias necessários para manter o sistema descrito funcionando durante o tempo desejado. A figura 30 calcula que uma 1 única bateria precisaria ter uma capacidade de 66.17A/H para atender a estes requisitos.

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Figura 33 – Dimensionamento de uma bateria

Podemos fazer o mesmo dimensionamento para um banco de baterias conectadas em paralelo. Ao refazer este dimensionamento para 4 baterias, podemos ver que a capacidade em A/H que cada uma precisa fornecer pode ser de apenas 16.54 A/H, ao mesmo tempo em que mantemos a mesma autonomia do sistema.

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Figura 34 – Dimensionamento para quatro baterias

10.4 Exemplo de dimensionamento de um Nobreak

Condições de simulação:

  • Carga de equipamentos

    • 1 roteador com fonte de 150watts com PFC

    • 2 switches com fontes de 100 watts com PFC (Total de 200W)

    • 1 Pc fonte de 200watts sem PFC

  • Nobreak

    • O nobreak em uso utiliza internamente 1 bateria de 12vcom capacidade 7 A/H

    • Nobreak possui uma potência de 800VA

    • Inversor possui uma eficiência de 85% e fornece uma tensão CA de 220v na saída.

    • Considerar 10% de margem de segurança.

  • Tempo de backup de energia

    • O Nobreak deve fornecer energia suficiente para manter este sistema funcionando afim de evitar perdas de informações.

A partir destas informações, vamos utilizar o módulo de fornecimento de energia ininterrupta do Jubarte (UPS) dentro da categoria de Nobreak, para verificar se um modelo de nobreak disponível no mercado atende aos requisitos do projeto. Pela figura 32 podemos ver que o nobreak fornece potência suficiente para alimentar o sistema, e suas baterias conseguem manter tudo funcionando pelo período de 7.78min, talvez seja interessante procurar por um modelo de equipamento que possua uma maior autonomia.

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Figura 35 – Dimensionamento de nobreak

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