Quais tipos de nobreak existem?
Os Nobreaks, também conhecidos como UPS (Uninterruptible Power Supply - Fontes de energia ininterrupta) são equipamentos indispensáveis na alimentação de cargas críticas, como computadores, servidores, equipamentos hospitalares, entre muitos outros. A principal função de um nobreak é dar maior autonomia a um determinado conjunto de cargas, ou seja, mantê-los funcionando por um período após uma interrupção da rede elétrica principal. Esta funcionalidade é alcançada por meio de um banco de baterias que fornecerá energia às cargas durante essas falhas, por meio de um inversor (conversor cc/ca).
Contudo, existem diferentes tipos de Nobreak no mercado, com características, custos e desempenhos bem diferentes. Por isso, neste artigo nós iremos discutir os tipos de nobreak que existem, quais são as suas principais características e quando devemos utilizá-los.
IMPORTANTE: Muitas pessoas acabam se perguntando quando utilizar um Nobreak e quando utilizar um estabilizador. Primeiramente, é importante deixar bem claro que, para a esmagadora maioria dos casos, o estabilizador é um equipamento inútil que para nada serve. Não iremos nos aprofundar neste assunto neste artigo, mas se você tiver interesse, eu escrevi um artigo completo, provando por A+B o por quê do estabilizador ser uma forma de queimar dinheiro. Para ler, é só clicar aqui.
1 - Algumas características importantes de um nobreak
Antes de entrarmos em detalhes sobre os tipos de Nobreak existentes, é muito importante discutir algumas características de Nobreaks, assim, poderemos compará-los.
1.1 - Nobreak online vs offline
Os nobreaks modernos podem ser categorizados de diversas maneiras, contudo, a classificação mais interessante é dividi-los entre UPS Online e Offline. A diferença entre as duas indica, na realidade, quem é responsável pela alimentação da carga em estado normal de operação, ou seja, quando a rede elétrica está presente. Existem duas possibilidades:
a) A própria rede elétrica diretamente alimenta a carga (Tipo Offline);
b) A carga é alimentada continuamente por um inversor (Tipo Online).
Os Nobreaks Offline normalmente são mais baratos, mais eficientes em modo normal de operação, porém, quando ocorre uma falha, eles deixam a carga desassistida por um intervalo de tempo. Já os Nobreaks Online permitem fazer essa transição muito mais rápido, além de conseguirem entregar uma energia de melhor qualidade às cargas.
1.2 - Tempo de transferência
O tempo de transferência é o tempo necessário para que um Nobreak transite do modo de operação normal, isto é, quando a rede elétrica está presente, para a operação em falha (modo bateria). Durante este tempo a carga não recebe nenhuma alimentação!
OBS: Computadores e outros eletrônicos são projetados para conseguirem operar por alguns ciclos de rede, mesmo sem nenhuma alimentação. O tempo que um equipamento consegue se manter nesta condição é chamado de tempo de Hold-up. Assim, mesmo que um Nobreak possua um tempo de transferência "grande", isso não impede o seu uso com esses equipamentos.
1.3 - Forma de onda de saída
Tipicamente, os nobreaks disponíveis no mercado entregam um de dois tipos de formas de onda em sua saída durante o modo bateria (quando a rede está em falta), ilustradas na Figura 1:
a) Onda semi-senoidal (que na academia chamamos de onda quase-quadrada, que é mais adequado);
b) Onda senoidal pura;
Figura 1 - Formas de onda típicas na saída de um Nobreak
A forma de onda Quase-quadrada normalmente é utilizada em Nobreaks de menor custo/potência, além disso, é mais indicado utilizar esta forma de onda para alimentar cargas eletrônicas. Como a fonte de entrada dos eletrônicos (computadores, TVs, etc) possui um retificador, que irá formar uma tensão c.c. com o pico do sinal de entrada, a forma quase-quadrada, com uma tensão de pico adequada, não impacta o funcionamento desses equipamentos. Outra questão é que o circuito que gera esta forma de onda é mais simples.
A forma de onda Senoidal Pura é comumente utilizada em equipamentos de maior valor agregado e para alimentação de cargas mais diversas, ou quando há exigências de qualidade de energia na instalação. O circuito que gera esta forma de onda é mais complexo.
1.4 - Autonomia
A autonomia de um Nobreak indica o tempo que o equipamento consegue se manter no modo bateria, ou seja, quando a rede está em falta, alimentando a carga em potência nominal. Normalmente para Nobreaks dedicados à alimentação de computadores, esta autonomia é de mais ou menos 15 minutos, mas para Nobreaks de maior porte ou em outras aplicações, o tempo pode ser maior.
Este parâmetro depende do tamanho do banco de baterias disponível. Nobreaks de maior porte costumam manter este banco em um gabinete separado, enquanto Nobreaks de menor potência, utilizam apenas uma bateria já incorporada ao equipamento. É importante reforçar que aumentar o tempo de autonomia além do necessário não é uma ideia muito interessante, uma vez que as baterias são dispositivos caros, volumosos, pesados e que tem uma vida útil bastante reduzida (3 a 5 anos). Um banco de baterias exagerado vai demandar mais manutenção, além de aumentar o custo de operação do sistema de fornecimento de energia.
1.5 - Qualidade da energia
A qualidade da energia se refere à qualidade das formas de onda de tensão entregue à carga e de corrente demanda da rede elétrica, ou seja, o quão senoidal essas formas de onda são. Para fins de atendimento à normas, a qualidade de energia durante o modo normal de operação é mais importante, porém, dependendo do tipo de instalação onde o Nobreak se encontra, podem existir requisitos de qualidade de energia para atender também no modo bateria.
As normas, como a IEC 61000-3-2 e a IEC 62040, definem limites de amplitude dos harmônicos de tensão e corrente que podem ser tolerados em um sistema conectado à rede e às UPS, respectivamente. Assim, em aplicações onde estas normas se aplicam, o projeto e especificação dos Nobreak deve ser mais cuidadoso, preferindo o uso de Nobreaks com saída em onda senoidal pura.
2 - Tipos de Nobreak
Agora que nós já temos algumas definições importantes em mente, podemos finalmente discutir os tipos de Nobreak mais comuns.
2.1 - Nobreak tipo Standby (offline)
Começamos nossa discussão falando de uma configuração de Nobreak muito comum: O Nobreak Standby. O foco desse tipo de UPS está em atender cargas de baixa potência (até 500 VA), principalmente um único computador pessoal. Como neste nicho é muito importante que o custo do produto seja extremamente baixo, já a performance, nem tanto, a estrutura do Nobreak é muito simples e bem dedicada à alimentação de eletrônicos. A Figura 2, ilustra a estrutura típica que encontramos no mercado.
Figura 2 - Nobreak tipo Standby
O Nobreak Standby é uma estrutura de UPS Offline, ou seja, durante o modo normal de operação, quem atende a carga é a rede elétrica diretamente. As baterias são carregadas por um carregador próprio, enquanto o inversor é mantido desligado. Em caso de falha da rede elétrica, o sistema de controle do nobreak aciona a chave de transferência e o inversor passa a atender a carga, usualmente, com uma onda quase-quadrada. O tempo de transferência entre os modos dura entre 5 - 12 ms, mas tipicamente 8 ms.
Como o nobreak standby possui uma potência muito baixa, o banco de baterias é composto comumente por apenas uma bateria de 12V, dessa maneira, o inversor normalmente é montado em baixa tensão e usa um transformador de baixa frequência. Outra questão importante é que, como, em modo normal de operação, o inversor se encontra desligado, a eficiência do nobreak é bem alta (>90%).
Bateria típica de uso em Nobreaks - Chumbo-ácido tipo VRLA de 12V/7Ah.
2.2 - Nobreak tipo Line Interactive (offline)
Ainda falando sobre as topologias offline, temos talvez o Nobreak mais utilizado hoje, que é o Nobreak Line Interactive. É importante mencionar que existem diferentes formas de se construir um Nobreak do tipo Line Interactive, assim, os fabricantes podem utilizar configurações um pouco diferentes do explicado aqui. A Figura 3 ilustra a estrutura de um Nobreak Line Interactive offline, onde é possível notar uma semelhança muito grande com o nobreak Standby, a menos da presença do regulador de tensão.
Figura 3 - Nobreak tipo Line Interactive
Podemos encontrar o modelo Line Interactive tanto em baixas potências (~500VA), quanto potências mais altas (~5kVA). Em modo normal, o funcionamento é semelhante ao discutido para o Nobreak Standby, no entanto, o regulador de tensão faz mantém a tensão de saída estável, mesmo com variações na rede, melhorando a regulação de linha do aparelho. Em modo bateria, a chave de transferência faz a conexão do inversor com a carga, onde a forma de onda pode ser tanto quase-quadrada, quanto senoidal pura, dependendo do fabricante e faixa de potência. O tempo de transferência entre modos de operação pode variar de 2 - 6 ms (tipicamente 4 ms), sendo, portanto, mais rápido do que um nobreak standby. A alta eficiência em modo normal de operação também é mantida.
A presença do regulador de tensão pode até melhorar a regulação de linha do equipamento, contudo, para o uso como alimentação de computadores e outros equipamentos eletrônicos, o tempo de resposta do regulador de tensão a variações da tensão de rede é de extrema importância. Como as fontes chaveadas tem um tempo de resposta a perturbações muito rápido, caso o regulador seja lento na sua atuação, ele pode prejudicar a fonte dos eletrônicos. Nós discutimos mais sobre esse assunto no nosso artigo sobre Estabilizadores, aqui.
Alguns modelos comerciais de Nobreaks Line Interactive são:
A Linha Easy Way da Ragtech possui versões de 700 VA a 1500 VA utilizando o modelo Line Interactive. Algumas das características dessa linha de aparelhos são:
- fator de potência 0,5 e 0,7 (linha 700VA e 1400VA);
- Eficiência modo normal (95%) e modo bateria (85%);
- Tensão de saída em modo bateria: Quase-quadrada;
- Tempo de carga das baterias (8h);
- Tempo de transferência (0,7ms);
- Tempo de resposta do regulador (1 ciclo de rede);
A APC (American Power Conversion) é uma empresa do grupo da Schneider Electric que comercializa Nobreaks de diferentes tecnologias e faixas de potência. As soluções Line Interactive da APC podem ser encontradas nas linhas Back-UPS e Smart-UPS, porém, essas duas linhas também apresentam tecnologias Standby e Online, respectivamente. Algumas características típicas:
- Tensão de saída quase-quadrada;
- Eficiência modo normal (90%) e modo bateria (80%);
- Tempo de carga das baterias (24V) de 12 h;
- Fator de potência de 0,5;
- Tempo de transferência (0,8 ms);
OBS: As informações de Tempo de Acionamento do Inversor e Resposta do Regulador de Tensão fornecidos pelos fabricantes podem não representar o real tempo de resposta do equipamento. pois, não indicam qual o real tempo demandado para que o nobreak reaja a uma falha de rede ou variação de tensão. Por isso, essas informações devem ser tomadas com muito cuidado!
2.3 - Nobreak tipo Dupla Conversão (online)
O modelo Dupla Conversão é a tecnologia Online de Nobreaks mais conhecida e ao contrário dos modelos offline, que usam majoritariamente tensões de saída quase-quadradas, a forma de onda senoidal pura é dominante. Nesse sentido, este tipo de Nobreak pode ser utilizado para sustentar uma gama de cargas maior, enquanto os modelos com tensão quase-quadrada se dedicam à alimentação de eletrônicos. A Figura 4 ilustra a estrutura típica de um Nobreak Dupla Conversão.
Figura 4 - Nobreak tipo Dupla Conversão
Note que nesta tecnologia, a carga é continuamente alimentada pelo Inversor. Contudo, no modo normal de operação o barramento c.c. do inversor é sustentado pela rede elétrica, através de um retificador, já no modo bateria, ele é sustentado pelo banco de baterias. Assim, não existe tempo de transferência entre os modos de operação, logo, a carga não percebe perturbações da rede elétrica, o que confere ao nobreak uma boa qualidade de energia em sua saída. Além disso, dependendo de como o fabricante projeta o circuito do retificador, o nobreak também pode entregar uma corrente de entrada mais senoidal e assim elevar o fator de potência. No entanto, como em modo normal dois conversores operam em série, a eficiência do nobreak é menor do que os modelos offline. A chave Bypass serve para conectar a rede diretamente à carga, caso ocorra alguma falha nos conversores dos nobreaks e permitir a manutenção sem interrupção do fornecimento de energia.
É interessante comentar que, embora as baterias se conectarem ao barramento c.c., o carregamento delas é feito normalmente por um carregador próprio. Isto porque, como a carga das baterias é feita com uma potência mais baixa (para atender aos requisitos de corrente máxima de carga de baterias VRLA), o carregador permite fazer essa carga segura e de forma mais barata.
O nobreak dupla conversão apresenta um custo maior do que os dois modelos offline discutidos, dessa forma, ele acaba sendo recomendado para aplicações de maior potência (> 5kVA). Porém, alguns fabricantes, como a Engetron, utilizam o modelo dupla conversão a partir de potência mais baixas, como o Volt 700 da Engetron (700 VA).
2.4 - Nobreak tipo Conversão Delta (online)
O Nobreak Conversão Delta é um modelo de nobreak online Line Interactive, que pode ser encontrado em equipamentos trifásicos de potências mais altas (> 5KVA). A forma de onda é senoidal pura e, assim como o nobreak dupla conversão, não há tempo de transferência e o equipamento pode conferir tanto à carga, quanto à rede uma boa qualidade de energia. A Figura 5 exemplifica a estrutura do equipamento.
Figura 5 - Nobreak tipo Conversão Delta
Em modo normal de operação, a chave estática é fechada e a carga passa a ser alimentada simultaneamente pela rede elétrica e pelo inversor. Comumente, o inversor não entrega potência ativa à carga, mas fornece reativos e/ou harmônicos. Assim, as perdas no retificador e inversor ficam mais baixas, elevando a eficiência do nobreak, em relação ao dupla conversão. Além disso, essa ação faz com que a corrente vista pela rede elétrica seja mais senoidal, elevando o fator de potência do equipamento. Outra característica é que o retificador também consegue controlar a tensão do transformador série e com isso ele pode corrigir distorções da tensão de rede, dessa forma, a carga também enxerga uma melhor qualidade de energia. Em modo bateria, a chave estática é aberta e o banco de baterias sustenta a carga, por meio do inversor. Como comentado acima, a mudança de modos é instantânea.
Esta tecnologia de conversão também é chamada de UPQC (Unified Power Quality Converter) e é proposta para diversas outras aplicações, como roteadores de energia e inversores fotovoltaicos multifuncionais. No caso do uso em UPS, a tecnologia é patenteada pela APC-Schneider Electric e não é ofertada por uma vasta gama de fabricantes. O GEP-UFMG em parceria com a Engetron desenvolveu um excelente trabalho sobre esta topologia em 2002, o link para a tese pode ser encontrado aqui. A linha Symmetra MW da APC emprega esta tecnologia.
Agora que conhecemos os tipos mais comuns de Nobreaks, podemos fazer uma comparação qualitativa entre eles.
Boa Noite a todos, segue um link bem bacana para prevenção de futuros problemas no NoBreak : https://www.2ltech.com.br/pagina/5-dicas-essenciais-para-a-manutencao-adequada-do-nobreak-para-garantir-o-fornecimento-de-energia.html