2.1 Gerador e carga
O gerador depende de um regulador de tensão para controlar a tensão de saída. O regulador de tensão detecta a tensão de saída trifásica e compara seu valor médio com o valor de tensão requerido. O regulador consome energia de uma fonte de energia auxiliar dentro do gerador, tipicamente um pequeno gerador coaxial com o gerador principal, e fornece uma fonte de energia DC para a bobina de excitação do campo magnético do rotor do gerador. A corrente da bobina sobe ou desce, controlando o campo magnético rotativo da bobina do estator do gerador ou a magnitude da força eletromotriz EMF. O fluxo magnético da bobina do estator determina a tensão de saída do gerador.
A resistência interna da bobina de estator do gerador é denotada por Z, incluindo as porções indutiva e resistiva; a força eletromotriz do gerador controlada pela bobina de excitação do rotor é denotada por E com uma fonte de tensão CA. Assumindo que a carga é puramente indutiva, a corrente I fica abaixo da tensão U por exatamente 90 ° de ângulo de fase elétrica no diagrama vetorial. Se a carga for puramente resistiva, os vetores de U e I coincidirão ou estarão em fase. De fato, a maioria das cargas é entre pura resistiva e puramente indutiva. A queda de tensão causada pela corrente passando pela bobina do estator é representada por um vetor de tensão I x Z. Na verdade, é a soma de dois vetores de tensão menores, a queda de tensão em fase com I e a queda de tensão do indutor de 90º à frente. Nesse caso, acontece que está em fase com U. Como a força eletromotriz deve ser igual à soma da queda de tensão da resistência interna do gerador e da tensão de saída, ou seja, a soma vetorial dos vetores E = U e eu × Z. O regulador de tensão muda E para controlar efetivamente a tensão U.
Agora, considere o que acontece com as condições internas do gerador quando uma carga puramente capacitiva é usada ao invés de uma carga puramente indutiva. A corrente neste momento é exatamente o oposto da carga indutiva. A corrente eu agora conduz o vetor de tensão U, e o vetor de queda de tensão de resistência interna I × Z também é exatamente invertido. Então a soma vetorial de U e I × Z é menor que U.
Como a mesma força eletromotriz E no momento da carga indutiva produz uma tensão de saída U mais alta na carga capacitiva, o regulador de tensão deve reduzir significativamente o campo magnético rotativo. Na verdade, o regulador de tensão pode não ter alcance suficiente para regular completamente a tensão de saída. A excitação contínua do rotor de todos os geradores em uma direção contém um campo magnético permanente. Mesmo se o regulador de tensão estiver totalmente fechado, o rotor ainda tem campo magnético suficiente para carregar a carga capacitiva e gerar uma voltagem. Este fenômeno é chamado de "auto-excitação". O resultado da auto-excitação é a sobretensão ou o desligamento do regulador de tensão, e o sistema de monitoramento do gerador é considerado uma falha do regulador de tensão (isto é, "desenergizado"). Em ambos os casos, o gerador irá parar. A carga conectada à saída do gerador pode ser independente ou paralela, dependendo do tempo e ajustes da operação do painel elétrico automático. Em algumas aplicações, o sistema UPS é a primeira carga a ser conectada ao gerador durante uma queda de energia. Em outros casos, o no-break e a carga mecânica são conectados simultaneamente. A carga mecânica geralmente tem um contator de partida. Leva um certo tempo para fechar novamente após a falta de energia, e há um atraso na compensação da carga do motor indutivo do capacitor do filtro de entrada do no-break. O próprio UPS tem um período de tempo chamado ciclo de "soft start", que transfere a carga da bateria para o gerador, aumentando seu fator de potência de entrada. No entanto, os filtros de entrada do no-break não participam do processo de partida suave. Eles estão conectados à entrada do no-break como parte do no-break. Portanto, em alguns casos, a carga principal que é primeiro conectada à saída do gerador quando a energia é cortada é o filtro de entrada do no-break. Eles são altamente capacitivos (às vezes puramente capacitivos).
A solução para este problema é obviamente usar a correção do fator de potência. Existem várias maneiras de fazer isso, da seguinte maneira:
● Instale o painel do comutador automático de modo que a carga do motor seja conectada antes do no-break. Alguns comutadores podem não conseguir implementar este método. Além disso, os engenheiros da fábrica podem precisar comissionar separadamente o no-break e os geradores durante a manutenção.
• Adicione uma reatância reativa permanente para compensar a carga capacitiva, geralmente usando um reator paralelo ligado ao EG ou placa paralela de saída do gerador. Isso é fácil de implementar e custa menos. Mas, no caso de alta carga ou baixa carga, o reator está sempre absorvendo a corrente e afetando o fator de potência da carga. E, independentemente do número de UPSs, o número de reatores é sempre fixo.
● Adicione um reator indutivo a cada no-break para compensar a reatância capacitiva do no-break. A entrada do reator (opção) controla a entrada do reator sob condições de baixa carga. Esse método é mais preciso, mas o número é grande e o custo de instalação e controle é alto.
● Instale o contator antes do capacitor do filtro e desconecte-o em carga baixa. Como o tempo do contator deve ser preciso, o controle é complicado e só pode ser instalado na fábrica.
Qual método é ideal depende da situação no local e do desempenho do equipamento.
2.2 Problema de ressonância
Os problemas de auto-excitação do capacitor podem ser agravados ou mascarados por outros estados elétricos, como a ressonância em série. Quando o valor ôhmico da reatância indutiva do gerador e o valor ôhmico da reatância capacitiva do filtro de entrada estiverem próximos um do outro, e o valor de resistência do sistema for pequeno, ocorrerá oscilação, e a tensão poderá exceder o valor nominal de o sistema de energia. O recém-projetado sistema UPS é essencialmente 100% de impedância de entrada capacitiva. Um nobreak de 500kVA pode ter uma capacitância de 150kvar e um fator de potência próximo de zero. Indutores paralelos, bobinas de série e transformadores de isolamento de entrada são componentes comuns do no-break, e esses componentes são indutivos. De fato, junto com a capacitância do filtro, o no-break é geralmente capacitivo e pode haver alguma oscilação dentro do no-break. Juntamente com as características capacitivas da linha de transmissão conectada ao UPS, a complexidade de todo o sistema é bastante aprimorada, além do escopo de análise que pode ser analisado pelos engenheiros gerais.
Dois fatores adicionais nas principais aplicações recentemente tornaram esses problemas mais comuns. Em primeiro lugar, os fabricantes de equipamentos de informática fornecem entrada de energia mais redundante em seus equipamentos, dependendo dos requisitos do processamento de dados altamente confiável do usuário. Armários de computador típicos agora vêm com dois ou mais cabos de energia. Em segundo lugar, o gerente do equipamento solicitou que o sistema suportasse a manutenção on-line e queria proteger a carga crítica durante a manutenção do desligamento do UPS. Esses dois fatores aumentam o número de instalações de no-breaks típicos de data centers e reduzem a capacidade de carga de cada no-break. No entanto, o aumento nos geradores não é consistente com o no-break. Aos olhos do gerente do equipamento, o gerador geralmente é de reposição e fácil de organizar para manutenção. Também em alguns grandes projetos, a pressão financeira limita o número de conjuntos de geradores de alta potência. O resultado é que cada gerador tem mais UPS, o que é uma tendência que deixa os fabricantes de UPS felizes e os problemas dos fabricantes de geradores.
A melhor defesa contra a auto-excitação e oscilação é o conhecimento básico da física. Os engenheiros devem determinar cuidadosamente as características do fator de potência do sistema UPS sob todas as condições de carga. Depois que o equipamento UPS for instalado, o proprietário deve aderir ao teste abrangente e medir com cuidado os parâmetros de trabalho de todo o sistema ao ajustar o teste. Quando os problemas são descobertos, a melhor solução é montar uma equipe de projeto de fornecedores, engenheiros, contratados e proprietários para testar o sistema e encontrar soluções.
