UPS: energia sem interrupção

nov, 1999

Edição 42, Julho de 2009

Por Lívia Cunha

A popularização da informática e dos computadores fez nobreaks e UPS também se desenvolverem a tal ponto que alguns ambientes hoje se tornaram completamente dependentes desses equipamentos de proteção contra distúrbios de energia

UPS: energia sem interrupção

Em 1957, o Brasil ainda tinha a maioria da população concentrada na área rural e a modernização tecnológica começava a chegar timidamente. Nesse ano, o governo de São Paulo importou o primeiro computador do país, um Univac-120, para calcular o consumo de água da capital. O ambiente interno começava a ser estimulado pela política desenvolvimentista do recém-eleito presidente Juscelino Kubitschek, que governou o país entre 1956 e 1961. E, a partir daí, governo e algumas grandes empresas privadas passaram a adquirir esses modernos equipamentos, que ocupavam salas inteiras para realizarem suas atividades.

Símbolos de progresso, os computadores eram produtos caros e necessitavam de certos cuidados operacionais. Para aumentar a proteção deles e reduzir a chance de ter grandes perdas econômicas em caso de defeitos ou falhas, logo após o início da utilização comercial dos computadores, outro importante equipamento foi criado, exatamente para garantir essa proteção contra distúrbios elétricos. Nasciam, então, os UPS ou, do inglês, sistemas de energia ininterrupta, ou seja, equipamentos que visam oferecer confiabilidade e proteção na operação dos computadores, sem interrupção do trabalho.

Também conhecidos como nobreaks, esses equipamentos chegaram ao Brasil já na década de 1960. No período, a demanda ainda era baixa, mas com a popularização dos computadores, com a redução dos preços e com o grande salto tecnológico que eles tiveram em um curto período de tempo, o que aconteceu entre as décadas de 1980 e 1990, estes aparelhos eletrônicos passaram a ocupar grande parte das casas brasileiras, assim como quase todas as empresas nacionais. Junto a eles, o UPS, um equipamento de bastidor nem sempre lembrado em pequenas aplicações, também se desenvolveu e foi difundido entre os usuários mais preocupados com proteção.

A função desses sistemas de energia ininterrupta é condicionar a energia, mitigando ou eliminando alguns distúrbios elétricos. Assim, eles podem permitir que a energia chegue mais limpa à carga. O princípio dos nobreaks é que o usuário não tenha que parar o trabalho por problemas externos. Por isso, esse é um equipamento que está diretamente relacionado à qualidade de energia, que, por sua vez, diz respeito às alterações na tensão, corrente e frequência que podem ocorrer em um sistema elétrico. Essas variações podem ocasionar falhas e problemas aos consumidores, interrompendo a transmissão, paralisando funções e até danificando aparelhos.

Dessa forma, para algumas aplicações, essa proteção se torna vital, como é caso de hospitais, aeroportos, bancos e diversos outros ambientes, chamados de aplicações críticas. Os computadores toleram pequenas variações nos níveis de corrente, de tensão e de frequência, mas desvios grandes podem trazer sérios problemas tanto ao hardware quanto ao software. Assim, os nobreaks fazem a proteção de computadores e demais equipamentos eletrônicos de até cinco tipos de problemas elétricos mais comuns.

Distúrbios de energia

Os UPS atuam primordialmente por ocasião da falta de energia ou blecaute, problema mais conhecido de UPS. Geralmente, ocasionados por acidentes, tempestades ou por excesso de demanda, a falta de energia, mesmo que muito curta, desliga os computadores e faz o trabalho em andamento ser perdido, além de poder gerar perdas irreparáveis ao software e possíveis danos ao hardware.

Outro tipo de distúrbio de energia que alguns tipos de UPS podem lidar é a variação de tensão. Em geral, ela acontece por conta de picos de consumo de energia e por partidas e paradas de motores, compressores, etc. A tensão é definida em valores padronizados (como 220 V e

127 V) em um sinal alternado e a variação no seu valor nominal é um distúrbio elétrico bastante comum. Como efeito, as variações de tensão podem gerar uma redução na vida útil dos componentes elétricos, reduzir a eficiência dos aparelhos e gerar falhas por desgaste no hardware.

O terceiro tipo de distúrbio que a energia pode sofrer é a variação de frequência. Definida, no Brasil, em 60 Hz, as variações em seu valor fazem o ciclo ser mais curto ou mais longo, o que pode causar o desligamento de equipamentos e até danificar o hardware.

Há ainda outro distúrbio chamado de transiente ou surto de tensão (“Spike”). Comumente são causados pela incidência de raios na rede elétrica e pelo acionamento de dispositivos elétricos, como contatores e disjuntores.

O engenheiro eletricista e especialista em cargas críticas, Luis Tossi, dá um exemplo sobre o acontecimento de transientes na rede elétrica: “Cai uma descarga atmosférica na linha ou próxima dela, aí um transiente apresenta, por exemplo, um pico de tensão de 1.000 V só que não em 60 Hz, mas em uma frequência muito maior”. Esse distúrbio pode ocasionar graves problemas em computadores, como a queima de fontes ou até mesmo a destruição do hardware.

Por fim, as harmônicas são muito comuns em um sistema de energia e está na lista de cinco distúrbios elétricos que alguns nobreaks podem proteger. Quando acontece a distorção harmônica, “a tensão não é mais senoidal e vira uma ‘bagunça suja’. Essa ‘sujeira’ pode entrar no computador, que, na verdade, quer energia limpa. Essa distorção não é boa para ele e gera uma série de problemas”, comenta o físico e especialista em nobreaks John Rogus. Esses distúrbios são causados por cargas não lineares e podem sobrecarregar o circuito, causar interferências eletromagnéticas, além de gerar aquecimento nos condutores, entre outros diversos efeitos.

Para evitar que esses distúrbios prejudiquem equipamentos de trabalho, sobretudo em ambientes de missão crítica, ou seja, ambientes que, em hipótese alguma, a eletricidade pode ser interrompida e que precisam que ela circule de maneira mais constante e segura possível, os UPS devem proteger os computadores e sistemas. No entanto, esses equipamentos não protegem igualmente. O nível de proteção é determinado pelo tipo de tecnologia escolhida para o equipamento.

Os UPS podem então ser divididos em três categorias. Os equipamentos on-line utilizam a estrutura completa do UPS (carregador – baterias – inversor) durante todo o tempo de funcionamento, e, na ocorrência de falhas do fornecimento de energia, as baterias continuam com a alimentação do inversor. Os UPS offline (stand-by) utilizam um dispositivo de chaveamento denominado bypass, responsável por ligar a saída de energia das baterias apenas na ocorrência de falhas, apesar de manter as baterias sendo continuamente carregadas. No UPS stand-by, durante o fornecimento normal, a energia de entrada é ligada diretamente nos equipamentos que estão sendo alimentados pelo UPS. Os híbridos apresentam características tanto de on-line, na utilização de energia em todos seus componentes, quanto de stand-by, no acionamento da saída das baterias apenas na ocorrência de falhas.

Topologias de UPS

O tipo de UPS mais simples do mercado é o offline, também conhecido como stand-by. Como a carga é alimentada diretamente pela rede, ele é o que menos protege os equipamentos eletrônicos, mas é o mais barato dos nobreaks. Normalmente é usado em aplicações residenciais e em pequenas empresas, principalmente, porque o nível de proteção é baixo e é mais empregado em potências de até 3 kVA.

Como a energia que chega à carga não passa pelo nobreak, em circuito normal, o offline só faz a proteção de um
tipo de distúrbio elétrico: o blecaute, o que torna a proteção de computadores em ambientes de missão crítica inviável. Quando a energia para de ser transmitida, o nobreak demora ainda um tempo, em torno de 8 ms até perceber essa falta e manobrar a alimentação da carga para a bateria, que continuará a fornecer energia para o aparelho. Ele fica em stand-by, ou seja, esperando, mas pronto para uso, até entrar em ação.

Quando o UPS detecta uma falta de energia e a bateria entra em funcionamento, esta passa a fornecer energia para a carga para continuar o trabalho ou, pelo menos, salvar o que estava em andamento antes de desligar o computador.

Nesse tipo de UPS, a energia da rede é dividida em duas ramificações, uma que vai alimentar a carga e a outra que vai passar por um retificador que transforma a energia de alternada em contínua. Esse dispositivo permite que a bateria seja carregada, pois ela só armazena energia contínua. Quando a rede para de fornecer energia para a carga e o nobreak começa a atuar, a bateria fornece energia contínua até outro dispositivo que irá transformá-la em alternada para enfim enviar para a carga. O dispositivo que tem essa função é o inversor.

Entretanto, esse tipo de UPS tem algumas limitações. Uma delas é o tempo de transferência, que não é instantâneo, o que normalmente é visto como uma desvantagem desse produto. O nobreak offline também tem a limitação de proteger apenas contra um tipo de distúrbio de energia e o fato de a carga ser sempre alimentada pela rede, o que muitos usuários consideram ruim, pela inconstância da qualidade de energia recebida pela rede.

Outro tipo comum de UPS é o line interactive, o segundo tipo de nobreak mais barato do mercado. Muito similar ao offline, o line interactive se difere por fazer também a regulação de tensão elétrica. Em situação normal, a carga recebe energia diretamente da rede, sem passar pelo nobreak, mas passando por dois componentes que o tipo anterior não tem: o filtro de linha e o regulador de tensão. Esses dois elementos têm a função de manter a tensão muito próxima ao valor nominal. Por exemplo, se a tensão nominal do circuito deveria ser 127 V e a que está chegando da rede é 110 V, este circuito eleva o valor da tensão para a nominal. Assim, o line interactive protege contra variações e surtos de tensão, além de evitar o desligamento dos equipamentos em caso de falta de energia. Ele não protege contra variações de frequência, nem harmônicos, apenas interfere no valor nominal de tensão. O tempo de transferência é próximo a 4 ms. Por receber a energia diretamente da rede e por ter um tempo de transferência relativamente alto da fonte de energia da rede para a bateria, também não é indicado para aplicações críticas.

Este UPS pode ser encontrado nos tipos de médio e grande porte, mas, em geral, com potência de até 20 kVA.

Por fim, existe ainda o UPS do tipo dupla inversão, também conhecido como dupla conversão on-line. Nesse caso, a energia que vem da rede passa sempre por ele antes de alimentar a carga e, por isso, ele é capaz de proteger contra todos os cinco tipos de distúrbios de energia, o que o torna também um equipamento mais caro, porém recomendado para aplicações com cargas críticas.

A proteção contra as variações se dá porque o sinal da rede passa por transformações até chegar à carga. O circuito recebe o sinal alternado da rede elétrica e o transforma em contínuo. Essa energia transformada alimenta as baterias e o inversor. Este, por sua vez, transforma o sinal contínuo, gerando um novo sinal senoidal. Ou seja, o UPS está fornecendo um sinal de saída regulado em tensão, frequência e, de certa forma, desvinculado da entrada.

Estes são os três tipos básicos de UPS mais utilizados hoje, nos quais todos os dispositivos são eletrônicos. Nem sempre foi assim e tão pouco são os únicos existentes. Quando os nobreaks começaram a aparecer para fazer a proteção dos primeiros computadores no Brasil, ainda na década de 1960, eles não eram sistemas 100% eletrônicos. Os UPS do período eram eletromecânicos e chamados de rotativos. Isso porque funcionavam à base da movimentação de um motor diesel, que girava para gerar energia.

Até o início dos anos 1970, como ainda não havia uma tecnologia de eletrônica de potência para transformar esse nível de energia, utilizava-se o sistema rotativo nos UPS que faziam a proteção dos primeiros computadores. Hoje, com o desenvolvimento tecnológico e o aprimoramento do campo da eletrônica, o sistema é outro. O engenheiro eletricista José Starosta, especialista em qualidade de energia, conta que, atualmente, “em função da necessidade de manobras em períodos extremamente curtos, toda a tecnologia é baseada em sistemas estáticos de potência. O controle também é digital”.

Assim, os nobreaks de hoje são chamados de estáticos. Neles, o condicionamento da energia é feito de maneira estática, sem ser necessário o movimento de rotação de nenhum dispositivo. Todos os três principais tipos de UPS apresentados (offline, line interactive e dupla conversão) são desse tipo. Por isso, os UPS rotativos saíram de uso, apesar de ainda ser possível encontrá-los em instalações mais antigas.

O desenvolvimento tecnológico permitiu o surgimento de outros tipos de nobreaks, variações dos principais tipos, como é o caso do UPS de dupla conversão, que pode trabalhar em um regime chamado de digital interactive. Nele, o nobreak mescla o tipo dupla conversão com line interactive. Tossi explica que, nesse sistema, “se a energia da rede estiver boa, o UPS deixa a energia da rede alimentar a carga. Se a energia da rede fica com uma qualidade ruim, ele volta a trabalhar no modo dupla conversão. Fazendo isso, ele eleva o rendimento do UPS para 98%, com só 2% de perda”.

Complementos

Os UPS são destinados a qualquer ambiente que não pode ter a energia interrompida. A maior ou menor dependência da energia que a aplicação vai ter varia de destinação para destinação, indo desde ambientes residenciais, nos quais fazem a proteção de computadores pessoais do tipo desktop, até grandes data centers. Os centros de dados são, sem dúvida, os ambientes em que mais comumente se associam à necessidade de sistemas de energia ininterrupta. Mas, além de instalar um UPS em aplicações críticas, alguns outros elementos e cuidados devem ser tomados.

Em situações em que o consumo de energia é muito elevado e, consequentemente, a dependência é maior, além de instalar vários nobreaks em série ou em paralelo, dependendo do objetivo, deve-se instalar também um gerador de energia. Isso porque as baterias dos UPS têm, em média, autonomia de 10 a 15 minutos quando o fornecimento de energia é cortado. Na ausência de um gerador, se a rede não for restaurada rapidamente, o tempo é suficiente somente para salvar e finalizar programas e atividades em uso. Entretanto, considerando ambientes que não podem ficar sem energia, durante o período de funcionamento da bateria, os geradores devem começar a operar.

O UPS, além de fornecer energia na ausência da carga, pode oferecer uma energia mais limpa e confiável para os computadores.

Instalar um UPS sem uma complementação de geradores de energia, explica Starosta, “é muito arriscado e a carga poderá não ser alimentada na falta de carga das baterias. Em geral, grandes sistemas possuem autonomia de 15 minutos, tempo mais que suficiente para o gerador partir e assumir a carga”.

Rendimento versus eficiência

O rendimento do nobreak é determinado pelo tipo de equipamento escolhido, pela forma de instalação e pela sua potência. O offline e o line interactive, ambos de pequeno porte, têm, em média, o mesmo nível de rendimento
, mais baixo do que os demais. O rendimento do UPS aumenta nos casos dos modelos de médio e grande porte, como o line interactive de maior potência e o de dupla conversão. Esses grandes nobreaks podem chegar a uma eficiência de mais de 90%, variando de acordo com o produto e a instalação.

O aumento do rendimento pode oferecer maior confiabilidade no sistema, mas não ser tão eficiente energeticamente quanto se gostaria. Especialmente, se em grandes aplicações forem instalados UPS em redundância. Nesse caso, colocam-se os nobreaks e elementos complementares sempre em dois para cada ponto: duas fontes para um computador, dois circuitos, dois UPS, dois ramais, dois geradores. Esta ação é muito comum em aplicações críticas para que não haja um ponto único de falha e não se corra o risco de paralisar o trabalho.

John Rogus relata que um maior rendimento é conseguido na faixa de 70% de carga se instalado em paralelo redundante. “Isso quer dizer que, quando você coloca os sistemas em paralelo, você trabalha com menos do que 100% de carga. Com metade da carga em cada UPS, eles funcionam com 93% de rendimento cada. Se você otimizar com 100% de carga, talvez caia para 90% de rendimento”. Só que, em sistemas redundantes, o consumo de energia e a perda por aquecimento também são maiores.

Para contornar essa situação, conseguindo maior eficiência energética e mantendo o rendimento, diversas empresas têm desenvolvido programas de otimização de sistemas para os locais em que os UPS, geradores e servidores estão localizados. Cada situação, contudo, deve ser analisada como única, mas existem vários fornecedores de consultorias para redução do consumo de energia não só dos nobreaks, mas também de todo o sistema no qual ele está integrado.

Tornando portátil o que já era pessoal

No final dos anos 1990, início dos anos 2000, os computadores portáteis, também conhecidos como laptops ou notebooks, começaram a se popularizar no mercado brasileiro tanto residencial quanto comercial. Com a crescente utilização desses tipos de computadores, a utilização de nobreaks em aplicações de pequeno porte tem deixado de ser elementos fundamentais.

Isso se dá porque esses computadores já têm suas baterias internas com autonomia mínima de uma hora. Assim, a autonomia que as baterias de UPS do tipo offline e line interactive pode oferecer é muito menor do que a conseguida com os próprios computadores. Por isso, há uma perda de sentido de utilização nesse nicho. Para grandes consumidores, porém, a aplicação desses equipamentos de proteção deve crescer ainda mais.

A determinação da escolha do UPS, de como instalá-lo, das suas especificidades e se precisa ser redundante ou não, vai depender do ambiente de aplicação, em que cada ponto deve ser analisado por um projetista de instalação.


Estabilizador versus nobreak

No Brasil, em aplicações residenciais, que utilizam computadores do tipo desktop, o estabilizador é o equipamento mais popular de proteção contra distúrbios elétricos. Em geral, quando um usuário compra um novo computador, ele já costuma sair da loja com o estabilizador, em uma compra casada. Mas pessoas que não conhecem os riscos e problemas que a eletricidade pode causar acabam levando o estabilizador sem saber bem como ele vai fazer a proteção e qual seria a diferença dele para o nobreak.

A função do estabilizador é regular a tensão, dando constância e estabilidade no valor eficaz de saída, para assim proteger o computador das variações da rede elétrica, evitando mudanças bruscas da energia. Um nobreak, porém, pode proteger contra até cinco distúrbios elétricos (variação de frequência, variação de tensão, surto de tensão, distorção harmônica e falta de energia). Só que, obviamente, para proteger contra todos eles, o nobreak é uma solução muito mais cara do que o simples estabilizador.


Tipos de UPS

O nível de proteção de cada sistema será determinado pela escolha do nobreak. Os três tipos principais e as suas estruturas podem ser conferidos a seguir.

Comentários

Uma Resposta

  1. thorgoess disse:

    muito boa essa matéria! curti a parte de historia dos nobreaks no brasil

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