Como consequência da crescente degradação das condições ambientais, a profunda incerteza relativamente ao futuro do fornecimento de energia impulsionou uma procura global de poupança de energia. As indústrias cujas operações contribuem substancialmente para o consumo total de energia, devido às suas constantes e cruciais necessidades energéticas, estão na vanguarda deste esforço. As empresas actuais, dependentes de um fornecimento de energia fiável, procuram constantemente formas de reduzir o seu consumo, ao mesmo tempo que se esforçam por evitar quaisquer ameaças reais à operação das suas cargas críticas. Embora o tempo máximo de atividade seja de importância primordial para muitas destas organizações líderes mundiais, a presença de um UPS (Sistema de Alimentação Ininterrupta) é um pré-requisito indispensável para uma infraestrutura energética fiável, capaz de alcançar a máxima proteção e preservação da carga. Os sistemas UPS fornecem energia ininterrupta a sistemas eletrónicos, como redes e servidores, sistemas de gestão de edifícios e segurança, e também protegem contra falhas de energia que podem levar a paragens operacionais, bem como a perdas de dados, produtividade e lucros para a empresa. Além disso, os sistemas UPS fornecem energia limpa à carga, garantindo a redução ou eliminação completa da má qualidade da energia da rede pública para evitar perturbações subsequentes. Como resultado, a redução da qualidade da energia, aliada à procura do máximo desempenho, são as conquistas futuras de uma nova geração de sistemas UPS: excelente fiabilidade aliada à máxima produção de energia e 100% de disponibilidade.
A eficiência energética de um UPS é a relação entre a potência ativa fornecida à carga e a potência ativa consumida pelo UPS da rede elétrica. Quando a corrente atravessa os componentes internos de um UPS, uma certa quantidade de energia é dissipada sob a forma de calor, resultando em perdas. Além disso, o consumo de energia aumenta quando o ar condicionado está em funcionamento para manter uma temperatura ambiente adequada ao bom funcionamento da instalação. Embora seja inevitável alguma perda de energia, é evidente que a redução do consumo de energia do UPS e o consequente aumento da sua eficiência contribuem significativamente para minimizar o desperdício e maximizar a poupança na factura da electricidade. A poupança acumulada ao longo de 24 horas por dia, 365 dias por ano, durante um período de cinco anos, não só cobre o custo de aquisição de um UPS, como também contribui ativamente para a redução das emissões de CO2 e outros gases com efeito de estufa, garantindo o menor impacto ambiental possível para a solução de proteção energética escolhida.
A solução UPS ideal para a eficiência energética.
Considerando a procura sem precedentes de conservação de energia e as tecnologias de UPS disponíveis, em termos de eficiência energética, o UPS ideal deve ser capaz de prever o tipo de perturbações e falhas de energia e, em tempo real, implementar a melhor solução para as resolver, utilizando a quantidade mínima de energia necessária para fornecer a melhor qualidade de energia à carga. A Emerson Network Power transformou este ideal em realidade, criando uma solução concreta. Criou o primeiro UPS energeticamente eficiente: Trinergy™. Este revolucionário UPS analisa constantemente o ambiente elétrico em que opera e, após avaliar as condições de entrada e as características da carga, seleciona intuitivamente a solução perfeita para a continuidade de energia, condicionamento e poupança de energia.
Isto é possível porque as três configurações de UPS amplamente aceites pela comunidade de especialistas em UPS e pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) estão disponíveis pela primeira vez numa única unidade, totalmente compatível com todas as instalações.
O Controlo de Qualidade de Carga Máxima (VFI)
permite o fornecimento de energia da mais alta qualidade à carga quando o sistema deteta que o ambiente elétrico requer condicionamento.
Se ocorrer uma degradação da qualidade da energia e os parâmetros monitorizados estiverem fora da tolerância, o Controlo de Qualidade Máxima permite o condicionamento ideal da energia para a carga utilizando o modo de dupla conversão com 95% de eficiência.
A função de Máxima Economia de Energia (VFD)
deteta quando a alimentação principal da unidade apresenta uma boa qualidade e não necessita de condicionamento.
Quando as condições da rede elétrica são estáveis, é selecionado o modo de máxima poupança de energia, permitindo que a carga seja alimentada pela linha de bypass, atingindo até 99% de eficiência.
O modo de Alto Desempenho e Condicionamento de Energia (VI)
permite que o sistema condicione adequadamente a rede elétrica sem ter de mudar para a definição de controlo de qualidade mais elevada. Quando uma carga não linear é ligada ao UPS e existem harmónicos de corrente presentes, o Trinergy™ é capaz de compensar atuando como um filtro ativo, consumindo apenas a energia necessária para compensar as perturbações da rede. Isto permite alcançar o melhor desempenho possível com base no tipo de perturbação, resultando numa eficiência entre 96% e 98%.
Além destes três modos de funcionamento, o Trinergy™ também tira partido das características padrão fundamentais de um UPS de alta qualidade.
O que diferencia o Trinergy™ de outros UPS é esta combinação única de alto desempenho, continuidade de energia e características excecionais, todos presentes pela primeira vez num único produto.
- Máxima disponibilidade sob carga.
- Desempenho otimizado.
- Qualidade de energia otimizada sob carga.
- Total compatibilidade com qualquer fonte de alimentação.
- Baixa distorção harmónica total na entrada.
- Elevado fator de potência de entrada.
- Máxima adaptabilidade para alimentar qualquer tipo de carga.
- Conformidade comprovada com as normas de equipamentos e instalações.
Estudo de caso de data center:
Os data centers dependem de sistemas UPS para condicionar a energia e eliminar interrupções momentâneas, quedas de tensão, picos e outras variações de energia, garantindo a continuidade e a segurança da rede em que operam.
Então, para onde vai a energia? Antes de chegar ao bastidor de equipamentos informáticos, alimenta primeiro o UPS (UPS), passa pelos seus componentes internos e está condicionada para alimentar diretamente o data center. A energia consumida nesta cadeia de abastecimento representa uma parte substancial da energia total necessária para alimentar um data center.
Numa instalação típica de data center, as condições da rede e as características da carga elétrica variam principalmente de acordo com o volume de tráfego, resultando em flutuações de energia e, consequentemente, em condições de carga variáveis que requerem proteção por UPS. Num determinado ambiente elétrico, o UPS influencia a distribuição a montante devido ao fator de potência (FP) e à distorção harmónica total (THDi) de entrada. Estas características variam consideravelmente, de 0,8 a 0,9 para FP e de 6% a 20% para THDi, dependendo das variações de carga, causando problemas de potência reativa e harmónica e, portanto, exigindo diferentes níveis de condicionamento de energia. O UPS desempenha um papel fundamental no condicionamento da energia consumida pela carga, pois ajuda a evitar que a potência reativa e os seus harmónicos cheguem às fontes de alimentação e causem problemas nos equipamentos a montante e em toda a rede elétrica, como o sobreaquecimento dos transformadores, o envelhecimento acelerado dos componentes, a necessidade de cabos com secções transversais mais elevadas e os custos de instalação e operação mais elevados. Atualmente, os sistemas UPS standard normalmente utilizados em data centers garantem alta qualidade e condicionamento de energia operando em modo de dupla conversão. O modo de dupla conversão converte a energia CA (corrente de entrada) em CC e a energia CC em CA (corrente de saída), proporcionando uma forma de onda de saída perfeita, independentemente da qualidade da corrente de entrada. A desvantagem de operar constantemente neste modo, mesmo com pequenas perturbações, é a dissipação de energia considerável e desnecessária. A solução ideal de condicionamento de energia para instalações de data center seria, portanto, aquela que pudesse condicionar intuitivamente a corrente e os harmónicos utilizando a menor quantidade de energia possível.
O Trinergy™ é capaz de operar em modo digital interativo, onde o inversor funciona como um filtro ativo paralelo, compensando a distorção harmónica total e o fator de potência da carga. Simultaneamente, o Trinergy™ pode operar como um filtro ativo em série para melhorar a tolerância da tensão de entrada em caso de falhas ou picos de energia, atingindo uma eficiência global excecional de até 98%. Se for necessário um condicionamento de energia significativo ou se surgir uma condição de rede particularmente severa, o Trinergy™ pode reagir imediatamente e manter a mais elevada qualidade de energia de saída possível, operando em modo de dupla conversão.
Em resumo, ao contrário de um UPS padrão que opera em modo de dupla conversão sem considerar as condições da rede elétrica, o Trinergy™ monitoriza as condições de funcionamento da rede antes de selecionar intuitivamente a forma mais eficaz de compensar as perturbações. Isto permite-lhe utilizar apenas a energia necessária e alcançar um desempenho 4% a 7% superior ao de um UPS padrão. Por conseguinte, garante um nível de desempenho mais elevado, mantendo a mesma elevada qualidade de condicionamento de energia de um UPS de dupla conversão.
Uma instalação no mundo real:
As vantagens excecionais do Trinergy™ permitem-lhe discriminar entre diferentes condições de entrada da rede elétrica e selecionar o melhor modo de funcionamento, utilizando apenas a quantidade de energia necessária para fornecer a melhor qualidade de energia de saída e condicionamento de carga. Para
melhor compreender as vantagens derivadas desta arquitetura revolucionária e quantificar a poupança de energia efetiva que pode ser alcançada com o Trinergy™, foi realizada uma simulação das diferentes tecnologias de UPS atualmente disponíveis no mercado.
A credibilidade das simulações depende da consideração das condições reais da rede; por este motivo, a Emerson Network Power realizou uma análise dos dados de rede medidos pelo seu sistema de monitorização e diagnóstico remoto LIFE™.net, um sistema de comunicação bidirecional, ativo 24 horas por dia, 365 dias por ano, concebido para diagnosticar, monitorizar e gerir remotamente o estado operacional das UPS e dos sistemas de distribuição de energia em toda a sua rede global.
Os dados relativos ao desempenho dos sistemas UPS em condições reais de rede correspondem a uma amostra de 2.374 sistemas UPS monitorizados 24 horas por dia, 365 dias por ano, no Reino Unido. Os dados seguintes representam o desempenho médio de uma análise de 12 meses realizada em 2008 em organizações protegidas pelos nossos sistemas UPS, utilizando o LIFE™.net:
- 2.709 eventos fora da tolerância.
- Duração média dos eventos fora da tolerância: 8 segundos.
- 11 avarias na rede elétrica primária por UPS.
- Duração média das avarias na rede elétrica primária: 120 segundos.
Todas estas condições podem ser potencialmente prejudiciais para a carga. Os resultados anteriores revelaram-se cruciais quando analisados em conjunto com as tecnologias de UPS existentes; isto foi possível graças a um simulador dedicado, desenvolvido especificamente para este fim, que incorpora uma série de parâmetros, incluindo as condições da rede, a arquitetura da UPS, o desempenho e o algoritmo da UPS. Com a disponibilidade de dados reais da rede e as especificações da arquitetura, foi realizada a simulação e calculado o desempenho médio de funcionamento da UPS em cada modo de funcionamento, considerando simultaneamente a potência de entrada para obter a dissipação total de energia ao longo de um ano. O desempenho médio obtido é apresentado na tabela seguinte e é utilizado para calcular e comparar a poupança energética das três diferentes tecnologias.
Tecnologia standard existente:
Este tipo de UPS com tecnologia de transformador no inversor garante uma eficiência de carga total de 92,5%. Num ambiente controlado com ar condicionado, a dissipação de energia em carga total ao longo de um ano é de 8694 MWh.
Tecnologia de ponta com modo ecológico.
Este tipo de UPS com modo ecológico e dupla conversão inteligente melhora significativamente o desempenho do sistema, atingindo até 97%. Uma UPS a operar em modo de dupla conversão inteligente tem uma eficiência operacional média de 95%, resultando numa poupança de energia de 220 MWh em comparação com a tecnologia standard, proporcionando assim uma redução considerável de custos.
Tecnologia Trinergy™:
A nova arquitetura tecnológica revolucionária da Trinergy™ oferece benefícios extraordinários.
Considerando as diferentes condições de carga, a Trinergy™ seleciona intuitivamente o modo de funcionamento mais eficiente para minimizar o consumo de energia, garantindo uma qualidade de energia perfeita e alcançando uma eficiência média de até 98%. Isto traduz-se em poupança de energia, redução de custos e menor impacto ambiental.
Em conclusão,
ao procurarmos garantir a segurança de qualquer equipamento e processo crítico, podemos afirmar que atualmente dispomos de duas tecnologias principais: a tecnologia standard existente e a tecnologia de ponta com modo económico. Cada uma destas tecnologias amplamente aceites apresenta vantagens e desvantagens em termos de eficiência energética.
As funções padrão de um sistema UPS em modo de dupla conversão proporcionam uma proteção ideal da carga em todas as situações, quer se trate de uma pequena flutuação de tensão ou de uma queda de energia significativa. Em ambos os casos, a energia dissipada pelo UPS é equivalente. Questiona-se: seria possível ter um UPS capaz de se adaptar separadamente a duas condições opostas da rede elétrica, utilizando menos energia, ou seja, reduzindo a dissipação de energia durante pequenas variações de tensão?
A principal limitação de um UPS com tecnologia de ponta e modo económico é que, ao operar neste modo, não consegue realizar qualquer condicionamento, mesmo em caso de pequenas perturbações. Além disso, o inversor não consegue condicionar os harmónicos nem compensar as flutuações de tensão, uma vez que tem de mudar para o modo de dupla conversão (dupla conversão inteligente) para condicionar a carga, o que, por sua vez, provoca uma dissipação de energia significativa.
Isto pode ser ainda demonstrado pelos dados extraídos do sistema de monitorização e diagnóstico LIFE™.net, que mostram claramente que as perturbações mais frequentes na rede não são falhas totais da fonte de alimentação primária, mas, pelo contrário, são principalmente condições fora da tolerância ou variações na rede; assim, para que um UPS opere com a melhor tecnologia da sua classe e em modo económico, necessitaria de alternar constantemente para o modo de dupla conversão para permitir o máximo controlo da potência.
A tecnologia Trinergy™, apresentada anteriormente, oferece vantagens extraordinárias:
para além de maximizar o desempenho de cada modo de funcionamento existente, foi criado um novo algoritmo para permitir ao UPS monitorizar o seu ambiente de funcionamento e selecionar intuitivamente o modo de funcionamento para a máxima proteção da carga e máxima poupança de energia, mantendo o desempenho ideal.
Este desempenho comprovado e exclusivo do Trinergy™ não é a única característica notável. Graças a
uma combinação única de tecnologias, o Trinergy™ é também a melhor solução atual para reduzir os custos operacionais.
De facto, como apresentamos na nossa análise, um UPS a funcionar em modo standard praticamente não proporciona poupanças de energia ou de custos, uma vez que opera permanentemente em modo de dupla conversão.
Quando a tecnologia padrão é comparada à melhor tecnologia da categoria com modo eco, a poupança de energia e de custos é notável. Por fim, o UPS com tecnologia Trinergy™, que integra todas as tecnologias existentes numa só, demonstra proporcionar o dobro da poupança energética de um UPS que utiliza a melhor tecnologia disponível.
O Trinergy™ é uma verdadeira revolução para a indústria de UPS em todo o mundo.
Anexo: Método de Cálculo da Economia de Energia
Para calcular o valor da poupança de energia de qualquer UPS, devemos primeiro calcular a quantidade de energia dissipada por cada unidade.
A vasta gama de UPSs atualmente disponíveis no mercado utiliza diferentes tecnologias; portanto, cada uma dissipa uma quantidade diferente de energia.
Para calcular a dissipação de energia de um UPS, precisamos de começar pela eficiência da unidade, que é, na realidade, a expressão da energia que o
sistema dissipa.
Fórmula: 1
A fórmula acima, Eficiência igual à potência ativa de saída dividida pela potência ativa de entrada, é utilizada para obter a eficiência do UPS.
A poupança de energia pode então ser calculada como a diferença entre a energia dissipada por cada UPS.
A energia dissipada (kWh) pelo UPS durante um período de um ano é obtida através da seguinte fórmula:
Fórmula: 2
E (kWh) = Pi (kW) x 365 (dias por ano)
x 24 (horas por dia)
x 1,7 (coeficiente de ar condicionado)
Utilizando esta fórmula, a potência de entrada (Pi) pode ser calculada dividindo a potência de saída ativa pela eficiência.
Além disso, para obter um resultado mais realista, foi aplicado um coeficiente de ar condicionado de 1,7 a todos os sistemas.
Para manter uma temperatura controlada numa instalação real, é normalmente necessário um sistema de ar condicionado. Logicamente, quanto mais energia o UPS dissipa, mais calor expulsa e, consequentemente, a energia dissipada pelo sistema de ar condicionado aumenta.
Para calcular a dissipação de energia na nossa simulação, escolhemos um UPS de 600 kVA com uma potência de saída ativa de 540 kW. Para obter a potência de entrada do UPS e, portanto, calcular a poupança de energia, é necessário primeiro conhecer a eficiência das diferentes tecnologias que estão a ser comparadas.
Um UPS com uma tecnologia standard existente, operando em modo de dupla conversão e ligado a uma carga resistiva de 540 kW, tem um valor de eficiência fixo de 92,5%.
Para obter os valores de desempenho para a melhor tecnologia de UPS da categoria e para a tecnologia Trinergy™, utilizámos um simulador dedicado, dado que estas tecnologias possuem diferentes modos de funcionamento que podem apresentar um desempenho variável consoante as condições da rede elétrica.
Este simulador permite calcular a poupança de energia alcançável com estas tecnologias. Utilizando dados reais da rede elétrica, inserimos o desempenho, a arquitetura e o algoritmo tanto da melhor tecnologia de UPS da categoria como da tecnologia de UPS Trinergy™. O
simulador calcula automaticamente o desempenho energético médio da UPS, considerando o tempo de funcionamento em cada modo, com base nas condições da rede extraídas dos sistemas de monitorização e diagnóstico remoto LIFE™.net.
Ao executar a simulação com a melhor tecnologia de UPS da categoria, o simulador calcula o desempenho operacional médio da UPS analisando as condições de entrada e calculando o tempo de operação em modo de dupla conversão e em modo económico ao longo do ano.
Ao realizar a simulação com a tecnologia Trinergy™, podemos calcular, com base nas condições reais da rede inseridas, o tempo de operação da UPS em diferentes modos, obtendo assim o desempenho operacional médio global.
Em conclusão, o valor da poupança de energia foi calculado como a diferença entre a energia dissipada por cada UPS (calculada utilizando a potência de saída ativa da carga) e o desempenho operacional médio obtido com o simulador dedicado.
Artigo disponibilizado pela Emerson Network Power
