Retificador chaveado ou tiristorizado? Como especificar um sistema CC industrial

Comece pelo que o sistema CC mantém em operação. Relés de proteção, comandos de disjuntores, automação, telecomunicações, sinalização, iluminação, instrumentação e inversores possuem perfis de carga diferentes.

Registre: segmento e instalação; função das cargas alimentadas; consequência da perda do barramento CC; tempo máximo admissível de indisponibilidade; filosofia de contingência da planta; normas e especificações particulares do cliente.

Quanto mais crítica a carga, maior a importância de eliminar pontos únicos de falha e comprovar seletividade, autonomia e capacidade de manutenção.

A tensão nominal — 24, 48, 110, 125 ou 220 Vcc, por exemplo — não define sozinha o sistema. É necessário conhecer a tensão mínima aceita pelas cargas no fim da autonomia; a tensão máxima aceita durante flutuação, carga acelerada ou equalização; o número de elementos do banco; a queda de tensão nos cabos, disjuntores, fusíveis e diodos; a necessidade de unidade de diodo de queda; e a tolerância de sensores, relés, bobinas e eletrônica conectada.

O pior caso inferior deve considerar a tensão final do banco sob descarga e as quedas até a carga mais distante. O pior caso superior deve considerar o maior nível de carga do banco e a tolerância dos consumidores.

Separar as cargas em categorias evita dimensionamento por simples soma de placas: permanentes (operam durante todo o ciclo), temporárias (operam por períodos definidos), momentâneas (solenoides, bobinas, motores ou comandos de curta duração) e sequenciais (entram em momentos diferentes do cenário de emergência).

Para cada carga, registrar potência ou corrente, duração, instante de entrada, simultaneidade, tensão mínima e natureza do comportamento. O dimensionamento deve reproduzir o pior ciclo operacional plausível, não apenas a corrente média.

O banco é definido a partir do ciclo de carga, autonomia, tensão final por elemento, temperatura, tecnologia da bateria, envelhecimento e margens de projeto. Para baterias chumbo-ácidas estacionárias, a IEEE 485 descreve métodos de definição da carga e dimensionamento do banco; outras químicas exigem critérios e normas próprios.

Dados mínimos: tecnologia e fabricante da bateria; número de elementos; capacidade nominal em Ah; tensão de flutuação por elemento; tensão de carga acelerada/equalização quando aplicável; tensão final de descarga; autonomia requerida; temperatura mínima e máxima; fatores de envelhecimento e margem adotados; curvas de descarga do fabricante.

Em condição normal, o retificador precisa alimentar as cargas que permanecem ligadas e disponibilizar corrente para recompor o banco no prazo definido.

Uma verificação preliminar pode ser representada por: I_retificador ≥ I_cargas_em_recarga + I_reposição_da_bateria. Como aproximação inicial: I_reposição_da_bateria ≈ (Ah a recompor × fator de recarga) / tempo disponível.

O fator de recarga e o limite de corrente devem ser definidos com base na química, no fabricante da bateria, na profundidade de descarga, na temperatura e na característica do carregador. A aceitação de carga não é constante durante todo o processo; por isso, a expressão não substitui a curva do fabricante nem a memória de cálculo.

Também devem ser verificados: corrente permanente das cargas; picos e degraus de carga; tempo de recarga após a autonomia especificada; limite admissível de corrente da bateria; compartilhamento entre retificadores; operação com um módulo ou conjunto indisponível; reserva técnica e crescimento futuro; derating por temperatura e altitude.

As arquiteturas mais usuais incluem: N (capacidade instalada suficiente para a condição de projeto, sem reserva); N+1 modular (um módulo adicional à quantidade necessária); 2 × 100% (dois retificadores, cada um capaz de atender à condição definida); barramentos seccionados ou A/B (segregação para limitar falhas comuns); e dois bancos independentes, quando a filosofia de disponibilidade exige separação completa.

N+1 não significa, por si só, redundância integral. Mesmo com um módulo excedente, podem existir elementos compartilhados: alimentação CA, disjuntor geral, controlador, backplane ou subrack, barramento CC, proteção da bateria, ventilação, comunicação e distribuição de saída.

A especificação deve declarar quais falhas podem ocorrer sem perda da função e se a manutenção pode ser realizada com o sistema energizado. Também deve definir o comportamento após falha do controlador e a autonomia disponível durante manutenção.

Informar: tensão nominal e número de fases; faixa permanente e transitória de tensão; frequência e tolerância; esquema de aterramento; nível de curto-circuito disponível; fonte normal e alternativa; necessidade de transformador de isolação; categoria de sobretensão e DPS; fator de potência mínimo; THDi máximo e condição de medição; corrente de partida/inrush; e compatibilidade com gerador, quando aplicável.

O número de pulsos de uma solução tiristorizada, a presença de transformador, filtros e a arquitetura de entrada influenciam fator de potência e distorção harmônica. Nas soluções chaveadas, esses parâmetros dependem do estágio de correção de fator de potência e do ponto de operação. Exigir apenas "alto fator de potência" sem declarar carga e condição de ensaio produz comparação incompleta.

Desempenho de saída: regulação estática; resposta a degraus de carga e tempo de recuperação; ripple RMS e, se necessário, pico a pico; condição de medição com e sem bateria; precisão de corrente e tensão; estabilidade de longo prazo; compartilhamento de corrente; limitação de corrente; compensação de queda em cabos, se aplicável.

Gestão da bateria: flutuação; carga acelerada/equalização quando autorizada pelo fabricante; limite de corrente; compensação por temperatura; proteção contra inversão de polaridade; detecção de circuito de bateria aberto; LVD, quando a filosofia permitir; teste ou supervisão do banco, quando requerido.

Proteções do sistema: sobretensão e subtensão CA/CC; falta e sequência de fase; curto-circuito e sobrecorrente; sobretemperatura; falha de ventilação; fuga à terra/isolamento do barramento; DPS na entrada e na saída conforme análise; proteções individuais de retificador, bateria e consumidores; coordenação e seletividade entre dispositivos.

Especificar: instalação interna ou externa; temperatura e umidade, incluindo condensação; altitude e derating; atmosfera salina, corrosiva, com poeira ou contaminantes; grau de proteção IP com portas abertas e fechadas; requisitos sísmicos, quando aplicáveis; ventilação natural ou forçada; redundância e monitoramento de ventiladores; entrada de cabos superior ou inferior; segregação, acessibilidade e espaço de manutenção; cor, pintura, chapa, base e içamento; ruído acústico; tropicalização de placas; vida útil e disponibilidade de sobressalentes; MTTR pretendido e competência disponível no local.

Projetar apenas para a temperatura média da sala pode ser insuficiente. Devem ser avaliados o pior caso, a elevação interna do painel, filtros obstruídos, ventilação degradada e operação após a perda de um elemento redundante.

Sinais e comunicação: medição de tensão e corrente do retificador, bateria e consumidor; estado de disjuntores e fusíveis; alarmes urgentes e não urgentes; falha CA, falha do retificador e falha do banco; sobretensão, subtensão, fuga à terra e temperatura; histórico de eventos com data e hora; entradas e saídas digitais/analógicas; contatos secos; Modbus RTU/TCP, SNMP, IEC 61850, DNP3 ou protocolo requerido; mapeamento de pontos e documentação de integração.

Documentação mínima: folha de dados preenchida; diagrama unifilar; diagrama funcional e de interligação; arranjo geral e dimensões; lista de materiais; lista de cabos e bornes; filosofia de controle e alarmes; lista de pontos de comunicação; memória de cálculo de dimensionamento; curvas ou limites de desempenho; manual de instalação, operação e manutenção; lista de sobressalentes; plano e relatório de inspeção e testes.

FAT — ensaios a considerar: inspeção visual e dimensional; conferência de componentes e identificação; resistência de isolamento e rigidez dielétrica conforme projeto e norma aplicável; verificação funcional de proteções e intertravamentos; regulação de tensão e limitação de corrente; ripple na condição especificada; resposta a variações de entrada e carga, quando prevista; compartilhamento de corrente e perda de módulo/conjunto; modos de carga da bateria; alarmes locais, remotos e registro de eventos; comunicação e mapa de pontos; teste de autonomia do conjunto quando fizer parte do escopo.