Sistemas de Energia Ininterrupta:

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1 Sistemas de Energia Ininterrupta:
UPS - No-Breaks Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia Prof. Dr. Porfírio Cabaleiro Cortizo Parte desta apresentação foi adaptado de material elaborado por Jose A. Villarejo: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

2 Estabilizador de tensão
Porque a necessidade de equipamentos de energia adicionais para alimentar uma carga crítica? Estabilizador de tensão ou UPS - Uninterruptible Power Supply ou No-Break Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

3 Principais características:
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4 Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
UPS Rotativa Conversão de energia mecânica em elétrica; Autonomia de funcionamento da ordem de horas; Nível de ruído elevado, necessitando de ambientes especiais. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

5 Sistemas de Energia Ininterrupta – UPS
UPS Estática Utiliza conversores eletrônicos; Melhor resposta dinâmica; Baixo ruído acústico; Melhor regulação de tensão Melhor regulação da freqüência na carga; Instalações simples; Custo mais elevado. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

6 Carga típica de UPS: fonte chaveada de equipamentos eletrônicos
Tensão de alimentação: 110Vca ou 220Vca Desvio máximo permissível da tensão de alimentação: 110Vac de: 93Vac a 140Vac 220Vac de: 187Vac a 253Vac Corrente de partida ( Inrush Current): 120A pico máximo Na falta da tensão de alimentação, a fonte mantém a regulação das saídas por pelo menos 17ms, com carga nominal. Este tempo é denominado “Time Hold up”. Fator de potência entre 0,5 e 0,7. Fator de crista entre 2,5 e 3. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

7 Diagrama de Blocos de uma UPS
Conversor Retificador /Inversor, Filtros Cargas críticas (lineares e não lineares) Fonte de Alimentação Banco de Baterias Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

8 Classificação das UPS Off-line (standby)
On-line (sistema de dupla conversão) Line-interactive Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

9 Topologia de UPS off-line (standby)
Trafo Inversor + Filtro Carregador de Baterias Carga Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

10 Topologia de UPS off-line (standby)
Vantagens: Elevado rendimento: inversor pode operar a vazio ou desligado; Baixo custo e volume: carregador de baterias independente; Desvantagens: Pobre regulação da tensão na carga; Falta de condicionamento da corrente de entrada: injeção de harmônicos na rede elétrica, quando as cargas são não lineares; Tempo de transferência, entre os modos rede-inversor e inversor-rede, provocando tensão na carga nula nestes instantes; A forma de onda da tensão de saída geralmente é quadrada. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

11 Topologia de UPS on-line
Trafo Carga Carregador de Baterias Inversor + Filtro Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

12 Topologia de UPS on-line
Vantagens: A carga é continuamente alimentada pelo inversor, portanto, não existe tempo de transferência; A tensão de saída da UPS é regulada e possui baixa Taxa de Distorção Harmônica (TDH 5%); Distúrbios da rede elétrica comercial não atingem a carga; A utilização de uma chave estática, aumenta a confiabilidade do UPS. Desvantagens: Baixo rendimento ( rendimento do inversor * rendimento do retificador), em função dos conversores estarem em cascata; Elevado custo e volume, em função do retificador que é dimensionado para alimentar o inversor mais a carga das baterias. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

13 Topologia de UPS Line-interactive
Filtro Carga Inversor/ retificador Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

14 Topologia de UPS Line-interactive
Vantagens: Baixo custo e maior rendimento; Possibilidade de se regular a tensão de saída ou compensar os harmônicos da corrente de carga, permitindo que a entrada do conversor seja senoidal e apresente um Fator de Potência Quasi-unitário; Pequeno tempo de transferência nos modos: rede-inversor e inversor-rede. Desvantagens: A presença do indutor não permite que a tensão de saída e a tensão de entrada estejam em fase, gerando um transitório quando da utilização da chave de “by-pass”. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

15 Componentes de uma UPS Baterias Inversor Retificador Chave Estática
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16 Retificador semi-controlado monofásico
Baixo Custo Não permite inversão do fluxo de energia Baixo Fator de Potência Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

17 Retificador semi-controlado monofásico
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18 Retificador semi-controlado monofásico
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entrada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

19 Retificador controlado monofásico
Baixo Custo Permite inversão do fluxo de energia: INVERSOR NÃO AUTÔNOMO Baixo Fator de Potência Taxa de Distorção Harmônica da Corrente de Entrada elevada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

20 Retificador controlado monofásico Modo retificador
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21 Retificador controlado monofásico Modo retificador
Fator de potência depende do ângulo de disparo e da THD da corrente de entrada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

22 Retificador controlado monofásico Efeito da Comutação
Introdução de “Notches” na tensão de entrada Redução da Tensão de saída: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

23 Retificador controlado monofásico Efeito da Comutação
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24 Retificador controlado monofásico Efeito da Comutação
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25 90 < Ângulo de disparo < 150
Retificador controlado monofásico Modo inversor 90 < Ângulo de disparo < 150 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

26 Retificador controlado monofásico Modo inversor
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27 Retificador trifásico
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28 Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo = 30 Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o terceiro Na corrente de entrada, aparecem harmônicos pares Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

29 Retificador trifásico semi-controlado
Ângulo de Disparo = 90 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

30 Retificador trifásico controlado
Ângulo de Disparo = 30 Na tensão de saída, o primeiro harmônico presente é o sexto Na corrente de entrada, não aparecem harmônicos pares Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

31 Retificador trifásico controlado Modo Inversor não autônomo
Ângulo de Disparo = 120 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

32 Retificador trifásico controlado 12 pulsos
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33 Retificador trifásico controlado 12 pulsos
Ângulo de Disparo = 60 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

34 Retificadores trifásicos a tiristores
Vantagens Baixo Custo Rendimento Elevado Robustez Desvantagens Baixo Fator de Potência Corrente de entrada com THD elevada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

35 Inversores monofásicos
VO E S2 S1 “Push-pull” VO E S2 S1 Meia ponte S2 S1 E S3 S4 VO Ponte completa Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

36 Inversores monofásicos
Como controlar a tensão de saída do inversor? Inversor de onda quadrada Problema com harmônicos de baixa freqüência. Empregado em UPS “Off-Line” de baixo custo Inversores com controle por Modulação em Largura de Pulso Senoidal Os harmônicos de baixa freqüência são eliminados. Os harmônicos presentes estão em bandas em torno de múltiplos da freqüência de chaveamento. Empregado em UPS “On-line” e “Line-Interactive” Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

37 Inversores de onda quadrada
Vo t d E Presença de harmônicos de baixa freqüência na tensão de saída: Filtragem difícil Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

38 Modulação em Largura de Pulsos - PWM
VControle + - + - + - T A + E/2 t D + - A+ A VA0 T A - E/2 E/2 D A - -E/2 O valor médio de VAO é positivo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

39 Modulação em Largura de Pulsos - PWM O valor medio de VAO é zero
VControle T A + E/2 + - t D + - A+ A VA0 T A - E/2 E/2 /2 D A - -E/2 O valor medio de VAO é zero Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

40 Modulação em Largura de Pulsos - PWM O valor médio de VAO é negativo
VControle T A + E/2 t - + D + - A+ A VA0 T A - E/2 E/2 D A - -E/2 O valor médio de VAO é negativo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

41 Modulação em Largura de Pulsos - PWM
<VA0>T em função de VC ; VPT ; E VPT VC T1= VC VPT T 4 T2=T/2-2T1 T1 T2 T1 T/2 T E VA0 -E Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

42 PWM Senoidal Bipolar VAO T /2 T1T2T3 V tempo E/2 - C PT
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43 PWM Senoidal Bipolar ma<1, Sistemas modulados
|VC| |VPT| |VC| |VPT| ma<1, Sistemas modulados ma>1, Sistemas sobremodulados Sistemas Sobremodulados introduzem harmônicos de baixa freqüência e portanto não são utilizados em UPS Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

44 PWM Senoidal Bipolar Para mf inferior a 21, cuidado ao escolher a freqüência de chaveamento. mf > 21 – Sistema com modulação de freqüência elevada mf < 9 – Sistema com modulação de freqüência reduzida Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

45 Considerações sobre a escolha de mf
PWM Senoidal Bipolar Considerações sobre a escolha de mf Para mf < 21: Sincronizar os sinais da modulante Vc e da portadora VPT mf deverá ser inteiro e ímpar As inclinações da modulante e da portadora deverão ser de polaridades opostas, quando ambas cruzarem o eixo das ordenadas. Para mf > 21: Não há necessidade de sincronismo e mf não necessita ser inteiro. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

46 PWM Senoidal Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

47 PWM Senoidal Unipolar ÷ ø ö ç è æ × = 2 sen m E V j (Vxx)T VAB VA0
maA , φA=0 E 2 maA maB , φB φB E 2 maB VB0 T A + A - A E/2 T B + B - B tempo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

48 PWM Senoidal Unipolar φB = p VA0 VB0 VAB -E E/2 -E/2 E tempo VCA VCB
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49 PWM Senoidal Unipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

50 Comparação PWM Senoidal
Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Unipolar Espectro Harmônico da Tensão de Saída – PWM Bipolar Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

51 Influência do Tempo Morto
Tensão Desejada na saída T1 T2 Tensão real na saída para iA Tensão real na saída para iA E -E tm iA > 0 iA < 0 E -E T1 T2 D1 D2 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

52 Influência do Tempo Morto
S1 ON S1 OFF corrente na carga positiva corrente na carga positiva: a comutação de S1 para D2 não é influenciada pelo tempo morto, o mesmo não acontece com a comutação de D2 para S1. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

53 Influência do Tempo Morto
Tensão desejada VAO + ΔVAO iA < 0 VAO + ΔVAO iA > 0 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

54 Topologias de UPS Trifásicas
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55 Sinais de controle defasados de 120º
PWM Senoidal trifásico Sinais de controle defasados de 120º φB=120º 0.8 V CA (t) CB ) A0 B0 E/2 -E/2 AB CC (V 1 Tempo E 2 ma VB0 VA0 φB VAB Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

56 PWM Senoidal trifásico
Se subtrairmos dois sinais identicos defasados de 120º, o terceiro harmônico é eliminado (V ) AB n (VA0)n E ( ) V 2 3 × AB 1 = m E 1 E a 0.8 m =0,8 1,0 a 0.6 m =15 0,8 f 0,6 0.4 0,4 0.2 0,2 1 15 30 45 60 15 27 30 33 mf mf Conteúdo harmônico de VAO Conteúdo harmônico da tensão entre fases Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

57 Tensão e corrente de saída de uma UPS
THD = 5% fp = 0,61 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

58 Retificadores de Alto Fator de Potência
Fluxo de energia não reversível Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

59 Retificadores de Alto Fator de Potência
Fator de potência ajustável Fluxo de energia bidirecional Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

60 Retificadores de Alto Fator de Potência
Modo de Condução Descontínuo Modo de Condução Descontínuo Modo de Condução Crítico Modo de Condução Contínuo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

61 Modo de Condução Crítico ou Descontínuo: Modo de Condução Contínuo:
Retificadores de Alto Fator de Potência Modo de Condução Crítico ou Descontínuo: Implementação Simples; Corrente máxima nas chaves elevada; Aplicação em equipamentos de baixa potência. Modo de Condução Contínuo: Implementação complexa Multiplicador; Corrente máxima nas chaves reduzida; Aplicação em equipamentos de média e alta potência. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

62 Controle da Corrente Média Controle da Corrente por Histerese
Retificadores de Alto Fator de Potência Modo Contínuo: Controle da Corrente Média Modo Contínuo: Controle da Corrente por Histerese Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

63 Controle da Corrente Média: Controle da Corrente por Histerese:
Retificadores de Alto Fator de Potência Controle da Corrente Média: Freqüência fixa; Fácil de ser implementado em um microcontrolador ou DSP; Ajuste de dois reguladores, um para a malha de controle da tensão e outro para a malha de corrente. Controle da Corrente por Histerese: Freqüência variável; Ajuste apenas do regulador de tensão ; Impossível de implementar em um microcontrolador ou DSP. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

64 Controle do valor médio da corrente:
Retificadores de Alto Fator de Potência Controle do valor médio da corrente: Dimensionamento do indutor: O “ripple” máximo ocorre quando a tensão instantânea da rede é igual a metade da tensão de saída no barramento cc. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

65 Controle do valor médio da corrente: dimensionamento do capacitor
Retificadores de Alto Fator de Potência Controle do valor médio da corrente: dimensionamento do capacitor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

66 Controle sem “feedforward”
Retificadores de Alto Fator de Potência Ks Controle sem “feedforward” Km K Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

67 Controle com “feedforward”
Retificadores de Alto Fator de Potência Ks K Controle com “feedforward” Kff Km Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

68 Vantagens do controlador com “Feedforward”:
Retificadores de Alto Fator de Potência Controle sem “Feedforward” Controle com “Feedforward” Vantagens do controlador com “Feedforward”: Controlador de tensão não precisa compensar variações da Tensão eficaz de entrada; Menor esforço do controlador da tensão de saída, melhorando a resposta dinâmica da malha; Potência de entrada controlada. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

69 Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente: Limitação do ganho proporcional para evitar multiplas comparações Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

70 Retificadores de Alto Fator de Potência
Malha de corrente: Limitação do ganho de alta freqüência da medição da corrente. Banda passante da malha de corrente: 1 a 10 kHz Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

71 Fatores que afetam a banda passante da malha de controle da tensão:
Retificadores de Alto Fator de Potência Fatores que afetam a banda passante da malha de controle da tensão: Distorção harmônica da referência para a malha de controle da corrente: Harmônicos presentes na medição da tensão de saída aparecem em Vea Método da medição da Tensão eficaz: filtragem da tensão retificada Banda passante da malha de controle da tensão de saída: 1 a 10Hz Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

72 Retificadores de Alto Fator de Potência
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73 Retificadores de Alto Fator de Potência
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74 UPS Line-Interactive (1)
Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e filtra os harmônicos da carga. Fator de potência unitário e corrente de entrada senoidal. Regulação da tensão de saída depende das variações da tensão da rede. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

75 UPS Line-Interactive (2)
Durante funcionamento com rede presente o conversor carrega a bateria e regula a tensão na carga. Fator de potência não unitário e corrente de entrada com taxa de distorção harmônica elevada Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

76 UPS “Line-interactiva : Tri-Port
Estabilizador Carga Inversor/ retificador Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

77 UPS on-line - Carregador separado
Retificador Trafo Carregador de Baterias Inversor + Filtro Carga Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

78 UPS On-line Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

79 UPS “Line-interactiva : conversor delta
Carga Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

80 Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas
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81 Tensão e corrente na carga de uma UPS “on-line” com controle por duas malhas + malha de controle repetitivo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

82 Baterias Longa Duração: Uso Geral: Curta Duração:
Autonomia mínima de 3 horas, típica de 8 horas. Aplicação em sistemas de Telecomunicações. Uso Geral: Usadas em UPS, quando autonomia é da ordem de 1 a 3 horas. Aplicações em sistemas de controle e comutação. Curta Duração: Aplicações necessitando de potência elevada em um curto intervalo de tempo. Em UPS, com autonomia da ordem de 15 minutos. Placas mais finas. Densidade do eletrólito mais elevada. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

83 Baterias Chumbo-ácidas
Química da Bateria: Placa Positiva: Dióxido de Chumbo – PbO2 Placa Negativa: Chumbo Esponjoso – Pb Eletrólito: Solução de ácido Sulfúrico – H2SO4 Densidade específica do eletrólito mais elevada, entre 1,25g/cm3 e 1,3g/cm3, aumentando a capacidade Ah da bateria às custas da redução da vida útil. Tensão de Flutuação mais elevada para compensar as perdas internas mais elevada. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

84 Baterias Chumbo-ácidas
Tipos de baterias chumbo-ácidas: Ventilada (“vented cells” ou “flooded cells”): Placas mergulhadas no eletrólito; Mecanismo permite o escape dos gases produzidos durante o processo de carga (hidrogênio e oxigênio), com conseqüente perda do eletrólito. Regulada por Válvula (VRLA): Possuem válvula reguladora da pressão interna que alivia o excesso de hidrogênio produzido durante o processo de carga e impede que o oxigênio da atmosfera afete a reação química, prejudicando o rendimento e vida útil da bateria. Os gases produzidos durante os ciclos de carga e descarga são recombinados no interior da bateria e retornam para a composição do eletrólito. A baixa quantidade de gás liberado a torna vantajosa para aplicações em UPS. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

85 Baterias Chumbo-ácidas
Regulada por Válvula (VRLA): Eletrólito absorvido (AGM-Absorvent Glass Material): Eletrólito impregnado em mantas de fibra de vidro microporosa, que isola as placa positivas das negativas. A manta distribui uniformemente o eletrólito e o mantém em contato com o material ativo das placa. Apresentam uma baixa resistência interna e são adequadas para UPS que necessitam de correntes elevadas em um curto intervalo de tempo. Eletrólito gelificado: Processo construtivo similar ao das baterias ventiladas. O eletrólito é combinado com dióxido de silica formando um composto na forma de gel. Apresentam uma resistência interna mais elevada e são mais indicadas para aplicações requerendo um grande tempo de descarga. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

86 Baterias Chumbo-ácidas
Mecanismos de Falha Alta Impedância: Corrosão das placas; Mau contato do material ativas das placas; Baixa Densidade Específica do Eletrólito. Baixa Impedância: Curto-circuito entre placas. Deterioração da capacidade: Ciclos de descarga profunda; Temperatura Elevada; Redução do Eletrólito; Número Elevados de ciclos de carga-descarga. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

87 Baterias Chumbo-ácidas
Efeitos da Temperatura A corrente de carga e a corrosão da grade da placa positiva aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura do eletrólito. Operação prolongada em níveis elevados de temperatura diminue a vida útil da bateria. Operação da bateria em baixa temperatura aumenta a vida útil, mas reduz a capacidade disponível. Ondulação da corrente circulando pela bateria e a ondulação da tensão nos terminais da bateria provocam um aumento da temperatura de operação da bateria. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

88 Baterias Níquel-Cadmio
Química da Bateria: Placa Positiva: hidrato de níquel - NiOOH Placa Negativa: cadmio esponjoso - Cd Eletrólito: Solução aquosa de Hidróxido de Potássio – KOH Densidade específica do eletrólito entre 1,16g/cm3 e 1,25g/cm3 e independe do estado de carga da bateria. O eletrólito não participa da reação, apenas facilita a transferência de íons entre as placa. As baterias são do tipo ventilada. As baterias seladas são de baixa capacidade e utilizadas em equipamentos portáteis. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

89 Baterias Níquel-Cadmio
Mecanismos de Falha A deterioração ocorre por alterações nos materiais ativos. Não há corrosão da estrutura mecânica das placas e assim não há o risco da redução do desempenho ou da perda súbita da capacidade (Ah) da bateria. A degradação da capacidade (Ah) é contínua no tempo. As baterias de NiCd podem tolerar ciclos de carga e descarga leves ou descargas profundas com freqüência, sem sofrer danos. As baterias de NiCd são menos afetadas pela temperatura do que as baterias chumbo ácidas. Por exemplo, uma bateria de NiCd submetida a temperatura de 32C terá a sua vida útil diminuída de cerca de 20% enquanto que a redução na bateria chumbo ácida será de 50%. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

90 Estratégias para a Carga de Baterias
Carga da bateria a tensão constante, com limitação de corrente: Etapa de carga a corrente constante; Etapa de carga a tensão constante e igual ao valor da tensão de Equalização; A bateria está carregada. A partir deste ponto a tensão na bateria é mantida no valor da tensão de Flutuação. 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tempo (h) Corrente %C(Ah) 1 2 3 Tensão por elemento Corrente Tensão Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

91 Estratégias para a Carga de Baterias
Bateria chumbo ácida Bateria Níquel Cadmio Tensão de Equalização 2,3 V/el < V < 2,5 V/el 1,45V/el Tensão de Flutuação 2,2 V/el < V < 2,3 V/el 1,42V/el Máxima corrente de recarga  0,2 CAh a 0,4 C20Ah Tensão final de descarga 1,67 V/el < V < 2,1 V/el 1V/el Correção tensão Flutuação -5 mV/C T   25C +5 mV/C T   25C -3mV/C T   25C +3mV/C T   15C Os valores acima são valores típicos. Consultar os dados técnicos fornecidos pelo fabricante da bateria. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo