Como dimensionar a capacidade de um UPS para uma rede elétrica instável

A maioria dos erros ao dimensionar um UPS não são erros de aritmética, mas erros de âmbito: a carga é estimada a partir da placa de características, a autonomia é assumida como certa e a tensão do local é retirada do valor nominal da companhia elétrica em vez da tensão real do alimentador. Quanto mais precisa é a aritmética, mais fácil se torna obter uma resposta exata para a pergunta errada.

Este artigo aplica o mesmo método que utilizamos nas consultas dos nossos projetos: medir a carga, converter para kVA, aplicar uma margem, verificar o arranque dos motores, dimensionar a bateria e, por fim, corrigir de acordo com as condições do local. O resultado deve ser uma gama de capacidade e um objetivo de bateria, não um número de modelo isolado.

Ao «dimensionar» um UPS, o que se está realmente a escolher?

Dimensionar significa encontrar, entre os modelos padrão, o bastidor mais pequeno capaz de suportar a carga real, o maior degrau de carga e a autonomia exigida, deixando margem suficiente para o crescimento da carga e o envelhecimento da bateria. É um problema com múltiplas restrições, não uma simples multiplicação.

Existem quatro restrições: os kW contínuos determinam a capacidade do inversor; o arranque do motor ou compressor de maior potência determina a capacidade de sobrecarga; o tempo de autonomia determina o banco de baterias; e a tensão e a frequência do local determinam a topologia e a janela de entrada. Um projeto que cumpre três delas e falha na quarta continuará a dar problemas no local.

Comece por uma lista de cargas. Enumere-as uma a uma, indicando o equipamento, a sua potência de funcionamento, a quantidade, se incorpora motores ou correntes de alta irrupção e se funcionam ao mesmo tempo. O que se soma são as cargas que operam em simultâneo, não todos os equipamentos de todo o edifício.

A lista de cargas vale mais do que uma regra empírica. Distingue quais as cargas contínuas e quais as ocasionais, e evita que a impressora e o ar condicionado sejam somados por erro à carga do UPS.

Como se converte kW em kVA?

O UPS é especificado em kVA, mas a carga é normalmente medida em kW. A conversão utiliza o fator de potência de saída do UPS:

kVA = kW ÷ fator de potência

Por exemplo, com um UPS em linha de fator de potência de saída 0.9, uma carga de 7.2 kW requer 8 kVA. Um modelo de 10 kVA fornece 9 kW, pelo que, com esta carga, trabalha a 80% da sua potência ativa nominal, o que constitui um ponto de projeto saudável.

Se a carga for de 10 kW com fator de potência 0.9, antes de aplicar margem já são necessários 11.1 kVA. O tamanho padrão seguinte é 15 kVA, não 10 kVA. Um UPS de 10 kVA não pode fornecer 10 kW: a plena carga fornece apenas 9 kW, e além disso não deve operar de forma contínua a 100%.

Neste passo deve utilizar-se o fator de potência de saída do UPS, não o fator de potência de desfasamento da carga. O fator de potência da carga determina a procura real de potência ativa; o fator de potência do UPS indica quanta potência ativa o bastidor pode fornecer com a sua capacidade nominal em kVA.

Que margem de projeto se deve deixar?

Para cargas comerciais ou de TI normais, deixe 20–25%; para cargas com muitos motores, com crescimento incerto ou em locais onde o consumo real ainda não foi medido, deixe 30%.

A margem não é uma «margem de conforto para o vendedor»: corresponde a quatro efeitos reais. O crescimento da carga ao longo da vida útil do UPS. O envelhecimento da bateria, que reduz a autonomia (não a capacidade do UPS), embora um UPS que trabalha com carga leve aqueça menos e deixe mais margem para recarregar a bateria. As correntes harmónicas das cargas não lineares, que elevam a corrente RMS para os mesmos kW. E a diferença entre a potência de placa e o consumo real, que costuma ser grande, sobretudo em servidores e equipamentos de climatização.

Não acrescente 50% «por segurança» sem uma razão. Um UPS sobredimensionado opera durante muito tempo com carga baixa, o que pode reduzir a eficiência e, em alguns bastidores modulares, desperdiçar capacidade de módulos. A margem correta é aquela que consegue explicar.

Como se dimensiona a bateria em função da autonomia?

A autonomia é um cálculo de bateria, não uma característica do UPS. A fórmula simplificada é:

Ah = kW × 1,000 × horas ÷ (tensão do barramento CC × eficiência do inversor × profundidade de descarga utilizável)

Para uma carga de 7.2 kW, 1 hora de autonomia, um barramento de 192 VDC, uma eficiência do inversor de 0.85 e uma profundidade de descarga utilizável de 0.6, o resultado é de aproximadamente 73.5 Ah. 16 baterias de 12 V 100 Ah em série formam uma cadeia de 100 Ah nominais, que cobre o objetivo à justa, com uma pequena margem. Se a autonomia passar para 2 horas, os Ah necessários duplicam para cerca de 147 Ah, pelo que são necessárias duas cadeias de 100 Ah em paralelo.

A fórmula é apenas o ponto de partida. Em descargas curtas de alta corrente, a bateria fornece menos do que a sua capacidade nominal a 20 horas, pelo que o banco real será maior. Verifique com a tabela de descarga do fabricante à tensão de corte prevista.

Os valores da tabela são indicativos e pressupõem uma bateria em bom estado a 25 °C. Uma sala de baterias demasiado quente reduz a capacidade disponível e a vida útil; uma demasiado fria reduz a capacidade durante a descarga. Ambos os fatores alteram a configuração do banco.

Quando a rede é instável, o que muda no dimensionamento?

Uma rede instável altera primeiro a decisão de topologia e depois a capacidade. Um UPS interativo de linha comuta em 4–6 ms e corrige a tensão com um estágio AVR; um UPS em linha faz passar a carga sempre por dupla conversão e comuta em 0 ms. Se a rede cair frequentemente para 160 V ou subir para 260 V, um modelo interativo de linha pode passar para bateria demasiadas vezes, e a bateria não consegue recuperar entre um evento e o seguinte.

O parâmetro-chave a verificar é a janela de entrada. Muitos modelos em linha aceitam 85–300 VAC, o que cobre quedas profundas e flutuações do gerador. Quando a entrada cai abaixo dessa janela, o UPS passa para bateria ou para bypass. Um estabilizador de servo a montante permite manter o UPS em rede, mas acrescenta custo e uma tarefa de manutenção.

A tensão do local deve ser medida, não presumida. Um registo contínuo de uma semana no quadro de distribuição mostra a tensão de fase mínima e máxima, o desequilíbrio trifásico e a frequência. Esse registo é mais útil do que as indicações da companhia elétrica.

Que informação deve ser enviada ao fornecedor?

Envie a lista de cargas, o motor ou compressor de maior potência, a autonomia necessária, o número de fases e a tensão, o país do projeto, a temperatura ambiente e os requisitos de documentação. Se dispuser de um diagrama unifilar ou da especificação de um consultor, anexe-os.

O fornecedor deve responder com: kVA, kW, fator de potência de saída, janela de entrada, configuração da bateria, dimensões, peso, dissipação de calor e a base de cálculo da autonomia. Se a cotação indicar apenas «UPS de 10 kVA», é necessário pedir os restantes parâmetros. A bateria e a gama de entrada podem fazer o preço variar numa ordem de grandeza.

Uma boa cotação deve também indicar o que não inclui: obra civil, cablagem, instalação, direitos aduaneiros e desembaraço aduaneiro. Com estes limites bem definidos, não haverá surpresas quando o equipamento chegar.

Lista de verificação para o dimensionamento

• Meça os kW de funcionamento; não utilize a placa de características.
• Aplique uma margem de 20–25% para cargas normais e de 30% para cargas com muitos motores.
• Verifique o arranque do motor de maior potência com a curva de sobrecarga do UPS.
• Dimensione a bateria em função da autonomia, do barramento CC e da curva de descarga.
• Confirme a janela de entrada com a tensão medida no local.
• Escolha a topologia em função da sensibilidade da carga e das condições da rede, não apenas pelo preço.
• Solicite a ficha do modelo, a folha de especificações da bateria e os desenhos antes de efetuar a encomenda.

A calculadora deste site oferece uma capacidade e uma bateria estimada de primeira aproximação. Utilize-a para delimitar a consulta e, depois, confirme a configuração final com a folha de dados do modelo e o registo do local.