Baterias em UPS – Projetar, Dimensionar e Mensurar (Parte 1)

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Nessa série de artigos, vamos explorar as baterias para UPS do ponto de vista técnico.

E vale reforçar: não são textos escritos por IA!

Vamos entender todo o processo, desde a especificação (lado usuário), passando pelo dimensionamento (lado fornecedor) e concluindo com a manutenção (lado equipe de manutenção).

Nesse momento, vamos nos limitar a analisar as baterias VRLA (Valve Regulated Lead Acid), que são as baterias mais comumente utilizadas em sistemas UPS.

Apesar deste artigo compreender vários dos principais conceitos, ele não tem o objetivo de exaurir completamente o tema. Em caso de qualquer dúvida ou interesse, não hesite em perguntar ao autor.

Conceitos Iniciais

Para simplificar e dar os nomes aos conceitos, vamos definir que:

PROJETAR é “definir o escopo”, usualmente feito pela equipe de engenharia do usuário.
DIMENSIONAR é “escolher uma solução que atende o escopo”, usualmente feito pelo fornecedor.
MENSURAR é “realizar a medição real em campo”, usualmente feito pela equipe de manutenção.

Nesse primeiro artigo, vamos falar sobre PROJETAR.

Projetando um Banco de Baterias

Cada UPS pode trabalhar com uma quantidade diferente de baterias em série (Tensão do Banco de Baterias), e uma quantidade máxima de capacidade em Ah (limitado pela corrente de carregamento).

Portanto é óbvio que o banco de baterias precisa ter sinergia com o sistema UPS. Logo, antes de escolher a bateria, o UPS precisa estar definido.

Assim, podemos pensar no banco de baterias em dois cenários:

Quando está sendo comprado junto com o UPS
Quando está sendo comprado separadamente ao UPS

Comprando Bateria com UPS

Se está comprando um UPS novo, é muito mais vantajoso que o próprio fornecedor do UPS defina as características de cada monobloco. Isso permite maior flexibilidade no projeto, melhor otimização e mais número de soluções que atendam a necessidade.

Primeira dica:
QUANDO SE ESTÁ COMPRANDO UM UPS, JAMAIS DEFINIR NA ESPECIFICAÇÃO A QUANTIDADE DE BATERIAS OU A CAPACIDADE (Ah)

Comprando Bateria para UPS existente

Ao comprar baterias para um UPS existente, o jeito simples é recomprar as mesmas baterias (modelo e quantidade).

Qualquer alteração, é necessário um novo projeto! Vale notar que duas baterias de marcas diferentes com capacidades nominais iguais, não necessariamente correspondem às mesmas características, é muito provável que sejam inclusive bem diferentes!

É bastante recomendado reavaliar o projeto do banco de baterias toda vez que for necessária uma troca. Assim, evita-se sobredimensionamentos nas novas condições de carga.

Qualquer alteração em projeto, necessitará de reconfiguração do UPS, feito por software exclusivo do fabricante.

Parâmetros Elétricos a serem definidos pelo Projetista

Certamente as limitantes são complementares ao próprio UPS, para projetar o banco de baterias deve-se considerar:

Potência Ativa
Tempo
Redundância
Fator de Envelhecimento
Fator de Projeto

Potência Ativa da Carga

Considerar a potência ativa na carga.

$P_{carga} [kW] = S_{carga} [kVA]* fator\_de\_potencia$

A potência precisa ser definida obrigatoriamente em Potência ATIVA (kW). A Potência APARENTE (kVA) não é suficiente!

Deve-se reforçar na especificação técnica, que o fornecedor deve considerar a eficiência do seu próprio sistema UPS (e transformadores se houver) no cálculo da Potência do Banco.

$P_{Banco de Baterias}[kW] = P_{Carga}[kW] / Eficiencia_{UPS+Transf}$

Esse erro infelizmente é comum, veja o que acontece:

Cliente pede bateria para 100kVA

Fornecedor A oferece: 100kVA * 0,5 = 50kW (considerado FP baixo e arbitrário)

Fornecedor B oferece: 100kVA * 0,95 = 95kW (considerado FP medido em campo)

Conclusão: Cliente que compara preço com especificação ruim, compra do fornecedor A. Pagando caro e levando pouco.

Autonomia (Tempo)

Autonomia para sistema crítico JAMAIS deve ser pensada como: “tempo que o UPS vai segurar a carga antes de desligar” mas sim como: “tempo que o UPS precisa segurar a carga para manter a segurança elétrica da instalação”.

Na prática, devemos entender que é o tempo para desligamento programado e/ou tempo entrada do gerador.

Uma regra de dedão é:

(A): $5min <= t_{autonomia} <= 15min$

(B): $15min <= t_{autonomia} <= 30min$

(C): $30min <= t_{autonomia} <= 60min$

A: Para instalações com geradores “confiáveis”
B: Para instalações com geradores “não confiáveis” – é tempo suficiente para intervir e iniciar processo de desligamento programado.
C: Para instalações sem geradores – é tempo suficiente para intervir e iniciar processo de desligamento programado.

Redundância

É recomendado que o nível de redundância seja o mesmo do UPS (usualmente N+1). Recomenda-se utilizar estratégias com barramentos DC independentes.

Dica: Em hipótese nenhuma utilizar mais de 4 bancos de bateria no mesmo barramento DC, pelo alto risco de retroalimentação de falhas e consequentes incêndios.