As novas Tecnologias de no-breaks

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POR TRÁS DO CONTROLE DE PFC ATIVO NAS NOVAS FONTES E NO-BREAK´S DUPLOS CONVERSORES.

Muitos ficam curiosos em saber de como uma fonte de 150 w se transforma em similar de 1000 w e até mais com uma série de atributos técnicos no mesmo espaço, seria só o uso de semicondutores e CI´s dedicados de última geração?
Vamos fazer uma abordagem diferente sobre o tema, o que tem por trás da tecnologia de um conversor boost e quais as vantagens que ele trouxe no geral para as novas fontes e os novos no-breaks´s.
Quando se recomenda que determinado interlocutor compre uma fonte com PFC Ativo e tensão de alimentação automática, muitos não sabem bem os porquês e como isto funciona.

A primeira coisa que precisamos saber é o que é PFC Ativo.
Poderíamos dizer de forma simples que é uma energia consumida sem que realize trabalho ou que seria o defasamento angular entre a onda de tensão e a de corrente.
O A. Faller já abordou este tema, explicado de forma didática, portanto leiam.
http://adrenaline.uol.com.br/forum/h...o-clara-2.html

Outro artigo que recomendo é este indicado abaixo sobre as fontes chaveadas. É didático e explicativo também, possuindo informações básicas para quem se interessar em aprofundar seu conhecimento.

http://www.clubedohardware.com.br/pr...Chaveadas/1218

Como disse, estou abordando somente o conversor DC e mostra que o uso dele foi o responsável pelo salto tecnológico.

Primeiramente, vamos observar dados da forma de onda básica de uma fonte sem PFC Ativo. As deformações na senóide de tensão e o tipo de onda da corrente para a rede (ICA)

A nova aplicação com uso de booster ou chopper, como é conhecido, é algo muito diferente e podemos visualmente observar, as ondas de corrente e tensão de como refletem na rede de alimentação.

Este tipo de conversor foi largamente utilizado no passado em telecomunicações como conversor Aditivo lá pelos anos 70 em diante, Nos no-break´s de terceira geração lá nos anos 80, principalmente pela ASEA (Empresa Sueca) e pela Franklin (Empresa americana). Em acionamentos em máquinas de corrente continua. Nas televisões e equipamentos assemelhados. Mas tudo isso limitado aos componentes de época como os tiristores para as grandes potências.

Recentemente os novos componentes transistorizados da família dos mos fet / IGBT permitiram que se elaborassem circuitos bem mais simples do que aquelas complicadas máquinas do passado. Se difundindo por toda cadeia da eletrônica de potência, permitiu avanços significativos em todas estas aplicações.
A necessidade de novos equipamentos com mais eficiência energética, dimensão / tamanho menores, praticidade de uso, potência maior e melhor qualidade estimulou os pesquisadores.
Um velho conhecido voltava à sena.


O simples conversor boost (também conhecido com chopper, booster ou conversor cc) veio resolver todos estes problemas.

Este dispositivo é capas de manter a alimentação do inversor de saída numa tensão DC constante, controlada, de forma que o inversor seja um mero transformador DC/AC de alta freqüência e sem as complicas malhas de controle das antigas fontes. 

A técnica consiste em utilizar a capacidade dos indutores para armazenar energia.
- Como energizá-los e retirar esta energia do Indutor, armazenando em outro compartimento do circuito.
Para isso, são de vital importância o próprio Indutor, o chaveador , o diodo que separa os compartimentos e os capacitores eletrolíticos que armazenarão a energia. 
Vide foto abaixo.

O primeiro estágio consiste em energizar o indutor, sendo colocado em curto pelo chaveador (Transistor mos fet).
O Segundo estágio consiste em colher esta energia. No momento em que o chaveador é aberto, a energia do indutor segue pelo diodo em direção os capacitores eletrólitos.
No terceiro estágio, a energia do indutor carrega os capacitores de forma que seu potencial fique num valor diferente da fonte primária.

Quanto maior for o tempo em que o Indutor fique em curto, maior é a energia transferida para os capacitores do outro lado do diodo.
Este é o meio que, de forma controlada no chaveamento, se obtém uma tensão de booster estabilizada. Hoje existem componentes *dedicados que realizam estas tarefas, facilitando os projetos.

Poderíamos dizer que o mesmo se aplica aos novos no-breaks´s. Isso é possível porque o controle de saída é feito pela tensão do boost e não mais no pwm do inversor. Ora, isso reduz em muito a quantidade de componentes auxiliares e permite no mesmo espaço, oferecer mais potencia com mais eficiência energética, o que se vai refletir no rendimento do equipamento.
A foto seguinte mostra a condição ideal de um conversor boost operando e a onda refletida para a rede. Observem que a onda de corrente esta praticamente superposta com a de tensão, mostrando um fator de potencia praticamente unitário e baixa distorção.

Como se obtém isso;

O segredo esta em utilizar equipamentos otimizados na saída de forma a se ter a menor perda neste estágio, o resto fica com o conversor.

Então vamos ao exemplo:
Supondo que o conversor trabalhe com a saída em 380 Vcc para que todos os valores de fontes estejam com seus níveis corretamente otimizados em vazio; +/- 12,4 Vdc; 3,3 Vdc e 5,2 Vdc. Ao colocar a carga a queda seria só nos componentes de saída da fonte, mantendo ele dentro da faixa especificado em percentual.

Como seria isso dentro do exemplo;
Em 110 Vac de entrada teriamos, a tensão retificada na fonte primária em 155 Vdc e o Boost adicionaria mais 225 Vdc para completar os 380 v padrão. Imaginemos agora,a rede caindo para 70 Vac. Então, o Dc da fonte primária seria de 98 Vdc e o boost em máxima condução adicionaria 281 Vdc para se obter os 380 v..
A outra situação hipotética, seria em 220 Vac, teríamos na fonte primaria 311 Vdc, sendo adicionado mais 69 Vdc pelo boost, portanto, com o chaveamento quase mínimo. E na outra situação extrema, a rede em 270 Vac teria um dc primário de 381 Vdc e o boost totalmente bloqueado por não poder acrescentar mais nada, a não ser a queda no diodo, esgotando, portanto, a condição de controle.
Foto seguinte preparei uma amostragem exemplificativa.

á num No-break de maior porte, para manter a tensão de saída estável a plena carga muitas vezes é necessário que o boost eleve mais a tensão ou mesmo dentro dos processos de sincronização e transferências de carga com a rede, mas o resto é bem similar o que ocorre com as fontes, com uma diferença, os novos no-breaks´s não utilizam transformadores no inversor, é um genuíno amplificador de áudio com saída capacitiva.

Um dado importante, embora o inversor da fonte trabalhe com valores em torno de 50 a 60 kHz, o conversor Boost não pode trabalhar assim, tem que se respeitarem os tempos de comutação / carga e descarga do indutor. Os fabricantes trabalham entre 16 kHz a 19 kHz que já são por si valores elevados para chaveamento de chooper´s. 
Outro fator importante é o filtro sintonizado de entrado. Ele é necessário para diminuir os ruídos de chaveamento que retornam em direção a rede e também, ajustar finamente, fator de potencia. e distorção harmônica. 

Um terceiro aspecto é o ajuste do inicio do ciclo de comutação que chamei de alfa mínimo e final deste ciclo que chamei aqui de beta mínimo, as fontes de qualidade já vem com isso bem ajustado. O ajuste é necessário para não ocorrer como indicada na foto seguinte, uma distorção na onda de corrente, gerando harmônicos indesejáveis, a onda de corrente não esta bem alinhada com a de tensão.
Ajuste de T on e Tof / Alfa e Beta.

Na próxima foto, fiz um exemplo de aplicação desta tecnologia nos novos tipos de no-break´s. Note que o conversor é um duplo boost, ou seja, a tensão dc será o dobro, no caso do exemplo, 760 Vdc o que vai permitir o uso de um inversor simples, praticamente uma classe D com saída capacitiva sem necessidade de transformador. Tem contra si a não recomendação para uso em cargas não lineares ou que possam gerar muitos transientes operacionalmente falando. Nestes casos é recomendado adição de um trafo isolador na saída e supressores adicionais.

O fato é que esta técnica permitiu que se projetassem fontes de 1000 ou mais watts no mesmo espaço das antigas AT. Os No-breaks´s reduziram drasticamente seu tamanho e seu peso. Um de 12 kVA / 8 kW, por exemplo, é do tamanho de PC em Torre. São tão leves que uma pessoa poderá carregá-los sem dificuldades. No passado um equipamento destes, pesavam mais de 150 Kg e tinham um tamanho de um pequeno armário. A permissão de operações em paralelo, uma coisa impossível nas velhas tecnologias, de instalação em Rack´s.
Foto comparativa com outro similar de menor potência e maior dimensão física.
Foto 2 NB´s de 12 Kva. instaladas em Rack para operação em paralelo.

*Obs; Componentes dedicados são todos aqueles fabricados para uma função específica. Como exemplos podem citar o CI IR2112A que elimina uma Power drive, por exemplo, os PIC´s, os Processadores Risc e EEPROM.

Espero ter contribuído de alguma forma, enriquecendo informações no fórum e que não traga celeumas como meu tópico anterior sobre estabilizadores.

Bibliografias:
http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/h...pdf?sequence=1
http://www.clubedohardware.com.br/pr...Chaveadas/1218
http://adrenaline.uol.com.br/forum/h...o-clara-2.html
Tecnicontrol No-break´s e Estabilizadores Profissionais.

J.A.