Fontes de alimentação ininterrupta (UPS) alimentadas por bateria são cruciais para proteger equipamentos sensíveis em data centers, instalações médicas, fábricas, hubs de telecomunicações e até mesmo residências contra picos e interrupções de energia de curto prazo. Em caso de uma queda de energia prolongada, elas podem fornecer a eletricidade de curto prazo necessária para garantir uma interrupção preparada e evitar a perda de dados.
Geralmente, as UPSs podem ser classificadas como "Online" ou "Offline". Nas UPSs offline, a carga é conectada diretamente à rede. Quando a energia de entrada falha, o sistema alterna para o modo de alimentação por bateria – o processo de comutação geralmente leva cerca de 10 milissegundos para ser concluído, o que limita o uso de UPSs offline em algumas aplicações. As UPSs online adicionam um circuito inversor e um circuito de carga e descarga da bateria entre a carga e a rede, e o inversor permanece em operação independentemente de a energia de entrada estar normal ou não. Portanto, quando há um problema de entrada, as UPSs online podem realizar a comutação "sem interrupção" e fornecer energia de emergência para a carga através da bateria.
Os UPS modulares são mais populares entre projetistas e usuários, pois UPSs de menor potência podem ser conectados em paralelo para atender a uma maior demanda de eletricidade. Eles podem expandir os sistemas UPS existentes de forma rápida e fácil, ajudando os clientes a lucrar no processo de implantação de sistemas em larga escala.
No entanto, como qualquer projeto de fonte de alimentação, o projeto de UPS eficientes também apresenta desafios. Alguns fatores importantes a serem considerados incluem tamanho, capacidade de regulação de entrada-saída, gerenciamento de bateria e topologia.
O tamanho é crucial, especialmente em aplicações onde o espaço é extremamente valioso, como em data centers. No passado, os transformadores sempre foram um dos maiores componentes de UPS, mas com o surgimento da tecnologia de semicondutores mais avançada, os circuitos de comutação de alta frequência substituíram os transformadores, economizando espaço. Uma UPS sem transformador pode fornecer centenas de kVA de energia de emergência para grandes data centers em gabinetes de tamanho padrão.
O UPS on-line usa PWM (modulação por largura de pulso) de alta frequência para realizar conversão dupla (CA-CC e depois CC-CA), o que pode resolver muitos problemas de qualidade de entrada que o UPS off-line não consegue resolver, como sobretensão de baixa tensão e ruído de linha, ao mesmo tempo que reduz o uso da bateria e aumenta sua vida útil.
O inversor determina a qualidade de saída do UPS e afeta significativamente sua eficiência geral. Um UPS online de alta qualidade pode gerar ondas senoidais de alta qualidade semelhantes às da rede elétrica, fornecendo energia para cargas resistivas e indutivas. Isso requer que os dispositivos de comutação (IGBT/MOSFET) no inversor operem em altas frequências e cooperem com algoritmos de controle para minimizar o ruído de saída e os problemas de EMI gerados durante o processo de comutação.
Em um UPS típico, várias baterias empilhadas formam um conjunto completo de baterias, cujo carregamento e descarregamento são gerenciados por um módulo de gerenciamento de baterias. Para maximizar o desempenho da bateria e prolongar sua vida útil, o projeto deve considerar questões como balanceamento de carga, proteção de tensão e corrente, controle de carga e descarga, gerenciamento térmico, controle do ventilador, monitoramento e comunicação.