Como dimensionar e selecionar um UPS industrial ou médico

Uma UPS de 100 kVA que desliga ao ligar uma bomba não está subdimensionada por acidente. Foi dimensionada a partir de uma etiqueta, contra uma carga que ninguém mediu, e a primeira vez que a carga real apareceu foi no dia em que foi comissionada.

O dimensionamento corre numa direção. Meça o que a carga realmente consome, escolha a topologia de proteção que essa carga necessita, e depois corrija a capacidade, a redundância, o tempo de autonomia e a sala — nessa ordem. Inverta-o e cada passo posterior herdará o primeiro erro.

1. Comece com três números medidos, não com a antiga placa de identificação

Cada carga tem três números que importam, e eles respondem a três perguntas diferentes. A potência real em kW é o que o equipamento consome. A potência aparente em kVA é o que a UPS tem de fornecer, e é maior que o valor em kW sempre que o fator de potência for inferior a um — divida kW pelo fator de potência para chegar lá. A corrente de pico é o que a carga puxa durante os ciclos ou segundos em que um contator fecha, e decide o comportamento de sobrecarga com mais frequência do que qualquer um dos outros dois.

O kVA gravado na unidade que está a substituir é o mais fraco destes números. Foi ele próprio um palpite feito há anos, depois a instalação cresceu: duas máquinas adicionadas, um painel estendido, um compressor movido para o mesmo alimentador. Dividir uma placa de identificação por outra propaga todo o histórico.

Registe o alimentador em vez disso. Uma semana com resolução de um minuto cobre um ciclo operacional completo, incluindo fins de semana e mudanças de turno, e mostrará se a fábrica realmente executa tudo ao mesmo tempo ou simplesmente tem a capacidade para tal. Em seguida, capture os eventos de comutação separadamente, porque uma média de um minuto suaviza os picos que desligam um inversor.

O exemplo prático abaixo é uma aritmética de três entradas, não uma recomendação. Mostra o quanto a procura na mesma carga de 62 kW muda à medida que o fator de potência se move.

Depois, leve o terceiro número a sério.Bombas e compressores comportam-se de forma muito diferente em condições de arranque: o arranque direto consome múltiplos da corrente de funcionamento durante vários ciclos, enquanto um variador de frequência arranca suavemente mas pode empurrar harmónicos de volta para a saída. O método de arranque faz parte da descrição da carga, e pertence às suas notas ao lado do valor em kW.

2. Escolha a topologia antes de fixar a capacidade

Capacidade responde a "quanto". Topologia responde a "que tipo de proteção", e errar o segundo torna o primeiro irrelevante.

Numa unidade online de dupla conversão, o retificador converte a CA de entrada em CC e alimenta o barramento CC, o inversor fornece continuamente a carga a partir desse barramento, e a bateria fica no mesmo sistema CC e assume sem interrupção quando a entrada falha. As unidades interativas de linha regulam a alimentação de entrada e mudam para o inversor quando esta falha. Ambas são legítimas; protegem coisas diferentes.

Em vez de confiar em etiquetas de marketing, leia o código de classificação impresso na folha de dados. A IEC 62040-3 expressa-o em três caracteres que descrevem se a frequência e a tensão de saída dependem da alimentação de entrada, como VFI, VI e VFD. O código diz-lhe o que a topologia faz com as variações da rede, harmónicos e desvio de frequência — nada disso pode ser inferido de uma fotografia do produto.

Onde a entrada falha completamente, a questão torna-se quanto tempo a carga permanece sem energia durante a transferência. Para uma unidade interativa de linha numa carga sensível, esses poucos milissegundos são todo o caso de projeto. Mover-se da operação normal para a operação da bateria é uma questão diferente: o inversor nunca parou de carregar a carga, pelo que a saída não vê interrupção. Essa não é a única transferência numa unidade online — inversor para bypass estático, bypass de volta para inversor, e a transferência feita sob sobrecarga carregam os seus próprios tempos, e cada um pertence à folha de dados.

Escolha interativa de linha onde a carga tolera interrupções breves e a rede é razoavelmente estável. Mova-se para dupla conversão onde não tolera: equipamento de imagem, instrumentos de precisão, controladores de processo que travam uma falha num meio ciclo em falta, e qualquer coisa a funcionar atrás de um gerador cuja frequência varia sob carga.

3. Leia os números da folha de dados que decidem se a carga sobrevive

Duas cotações parecem idênticas até verificar a base em que foram cotadas.

Fator de potência de saída. A classificação kVA de uma unidade e a sua capacidade kW deixaram de significar a mesma coisa quando as cargas modernas começaram a puxar corrente em fase com a tensão. Compare a capacidade em kW com o seu kW medido, e compare o kVA com o seu kVA medido. Algumas unidades aceitam qualquer fator de potência até à unidade; outras reduzem a sua capacidade em kW com carga líder. A folha de dados diz qual.

Capacidade de sobrecarga. Isto chega como pares de números — uma percentagem, e os segundos que a unidade sustenta. Uma máquina que segura 150% por 60 s e outra que a segura por 10 s parecem idênticas numa linha de capacidade e comportam-se completamente de forma diferente num arranque de motor. Coloque o seu pico medido ao lado de ambos os números.

Figuras do lado da entrada. A distorção da corrente de entrada e o fator de potência de entrada importam para o gerador e o disjuntor a montante, não para a carga. Leia-os com o filtro de entrada opcional instalado, ou compare duas ofertas sem nenhum instalado — misturar as duas bases é como um gerador a montante acaba por ficar subdimensionado.

Figuras da bateria. Um tempo de autonomia cotado a uma carga e uma temperatura descreve essa condição, não a sua. Baterias novas fornecem mais do que as envelhecidas, salas quentes encurtam a vida e as frias reduzem a capacidade disponível, e as correções vivem nas próprias tabelas do fabricante da bateria. Tire o envelhecimento e a temperatura de lá, não de uma regra geral.

4. Combine a máquina com a aplicação

Três compradores podem levar a mesma unidade de 100 kVA e pedir-lhe para fazer três trabalhos não relacionados. Uma sala de imagem hospitalar, uma agência bancária e uma linha de fábrica diferem na alimentação que os alimenta, no ambiente à sua volta e no que tem de acontecer no momento em que a rede falha — nada disso aparece na linha de capacidade.

O trabalho hospitalar traz os seus próprios limites: corrente de fuga, ligação à terra e os requisitos de isolamento definidos pelo fabricante do equipamento ou pelo projeto do local. Onde esses requisitos o exigem, um transformador de isolamento torna-se parte da especificação da UPS em vez de um acessório. Um scanner CT não se comporta como uma carga estável durante a digitalização: a sua procura de energia muda drasticamente de um momento para o outro, pelo que o kW médio sozinho não dimensionará a UPS. Esse é um problema diferente de um quadro de distribuição de enfermaria que fica plano o dia todo. Onde a rede é instável o suficiente para importar a montante, as salas de raio-X muitas vezes também precisam de um estabilizador dimensionado para o alimentador — uma UPS não estabiliza uma má alimentação indefinidamente, ela contorna-a e entrega a carga à sua bateria.

O trabalho financeiro e de centro de dados é sobre níveis de disponibilidade e quanto tempo o local deve funcionar após a falha da rede. O tempo de autonomia aqui é o intervalo entre perder a rede e ter o gerador a carregar a carga de forma estável, não um número redondo que alguém escolheu.

O trabalho de fábrica é tanto ambiental como elétrico. Poeira, temperatura ambiente, humidade, vibração e rotinas de lavagem definem a classificação do invólucro, e se uma unidade não consegue sobreviver à sala, a sua especificação elétrica é académica. O arranque de motores, as cargas intermitentes e as longas corridas de alimentadores são a metade elétrica do mesmo problema.

5. Escolha quanta redundância está realmente a comprar

A capacidade de unidade única nem sempre é a razão para usar sistemas UPS paralelos. A TAFENG fornece unidades UPS únicas até 800 kVA, e projetos que executam unidades UPS em paralelo geralmente estão a comprar redundância, manutenibilidade ou espaço para expandir mais tarde. As unidades paralelas permitem-lhe tirar uma de serviço para trabalho e ainda proteger a carga. Elas também requerem mais espaço, conexões de energia adicionais e um esquema de controle e sincronização paralela que tem de ser devidamente comissionado.

Entre N, N+1 e 2N, a decisão é o que realmente muda entre eles: quanta carga cada unidade carrega na operação normal, e o que acontece no momento em que uma falha.

N+1 é uma escolha comum onde a manutenção tem de ocorrer sem um desligamento e uma falha única tem de ser tolerável. O preço é uma unidade extra. O mesmo arranjo escala para um rack: quatro unidades de rack de 10 kVA em paralelo num único sistema partilham a carga entre elas, e a questão da manutenção permanece a mesma — o que acontece no momento em que retira uma.

2N pertence onde a carga tem duas entradas de alimentação e uma falha é pior do que o custo de duplicar tudo: baterias, distribuição, refrigeração e separação física incluídos. 2N meio implementado é um erro comum e caro — hardware UPS duplicado a partilhar um banco de baterias, um interruptor estático ou uma rota de cabos dá-lhe o benefício de nenhuma arquitetura e ambas as contas.

A escala muda a forma do problema em vez da lógica. Um campus de 300 MW não compra uma máquina; compra blocos repetidos, cada um dimensionado, paralelizado e mantido como os blocos ao lado dele, com falhas esperadas como eventos rotineiros em vez de emergências.

6. Dimensionar a bateria a partir da sequência que precisa de sobreviver

O tempo de autonomia não é uma especificação, é uma duração que alguém tem de justificar. Três situações produzem três números muito diferentes.

Contornar perturbações momentâneas precisa de segundos — o suficiente para cobrir operações de rearmamento e interrupções curtas que de outra forma desligariam os contatores.

Cobrir um gerador precisa de minutos, e os minutos são mais longos do que o tempo de arranque do motor. Adicione operação do interruptor de transferência automático, arranque do motor, estabilização de tensão e frequência, depois transferência de carga, depois uma margem para o dia em que algo corre devagar. Os locais dimensionam rotineiramente para o tempo de arranque cotado do motor e ficam surpreendidos quando o comissionamento demora mais tempo.

O nosso guia de handover de UPS e gerador explica o que registar quando o gerador arranca, a ATS transfere e a UPS aceita a nova entrada.

O desligamento ordenado precisa de todo o tempo que o paragem controlada mais longa leva, incluindo os sistemas que devem ser desligados por último — não a média, o mais lento.

Uma vez que o tempo de autonomia esteja definido, a configuração da bateria segue: tensão da string, capacidade por bloco, número de strings e se partilham um barramento comum. Onde uma string de bateria tem um ponto médio, o arranjo de monitorização em torno desse ponto médio decide se um bloco defeituoso se anuncia ou se leva silenciosamente a string para baixo mais tarde.

Depois vem o caminho CC, que é um exercício de dimensionamento de cabos em vez de uma regra de distância. Corrente máxima de descarga, a distância unidirecional ao armário da bateria, secção transversal do condutor, queda de tensão permitida e onde a proteção se senta: cinco entradas, e cada uma delas está disponível antes da ordem ser dada. Coloque-as na consulta e o tamanho do cabo virá calculado.

Para o cálculo da bateria por trás de um objetivo de tempo de autonomia, consulte o nosso guia de dimensionamento de tempo de autonomia da bateria da UPS. Começa com a carga medida e verifica a descarga necessária contra os dados da bateria.

7. Planeie a sala antes de planear a encomenda

Mais instalações atrasam devido à carga do piso, larguras de porta e calor do que devido à especificação elétrica.

Comece com o acesso físico. Um armário que chega num camião tem de passar por uma porta, ao longo de um corredor, possivelmente num elevador, e ficar num piso a suportar os seus pontos de carga — tudo com baterias dentro, que é onde a maior parte do peso se encontra. Meça o percurso antes de assinar nada.

Depois o calor. Cada watt perdido dentro da sala torna-se carga de ar condicionado, e a unidade precisa de ar de entrada à temperatura que o fabricante a classifica, com caminhos de entrada e exaustão claros. Equipamento que não consegue rejeitar calor estrangula, envelhece mais rápido ou desliga numa tarde de verão.

A cablagem vem a seguir: se os cabos correm numa bandeja suspensa ou através de um vão sob o piso, como são separados das linhas de sinal e dados, o raio de curvatura de que os grandes condutores CC necessitam, e isolamento acessível para que um técnico possa trabalhar em segurança sem matar todo o local. Deixe espaço para puxar e substituir condutores — a primeira instalação não é a última que essas bandejas carregarão.

Este é também o ponto em que as surpresas são mais baratas. Se a sala não puder suportar o armário, mudar para um formato diferente não custa nada hoje e muito depois da entrega.

Finalmente, envie as entradas em vez de um valor de kVA: kW medido e corrente de pico com tempo, monofásico ou trifásico, rotas disponíveis e carga do piso, faixa de temperatura ambiente, se a carga tem um cabo ou dois, o tempo de autonomia que a sua sequência de desligamento necessita, e o que a rede realmente faz a montante. Os engenheiros da TAFENG pegam nessa lista e dimensionam a máquina, a bateria e a rota do cabo em conjunto — e a primeira coisa que volta é geralmente uma pergunta sobre qualquer entrada que esteja em falta.