Como manter a alimentação confiável nos sistemas de comunicação, segurança e proteção

Em seu nível básico, os complexos residenciais, comerciais e industriais de automação devem incorporar uma ampla gama de sistemas de segurança, proteção e comunicação de emergência para requisitos de seguro e códigos de obras locais, e para receber uma certidão de ocupação. Um fator comum a estes sistemas é que todos eles precisam de uma fonte de alimentação de linha CA para produzir energia de operação CC de baixa tensão, e todos eles precisam de um arranjo de bateria reserva altamente confiável.

Entretanto, fornecer apenas energia CA-CC básica e reserva não é suficiente para as normas e edifícios modernos. Um sistema abrangente, aprovado por código, necessita de várias indicações de alarme inequívocas, fornecidas através de fechamentos de interruptores para sinalizar condições específicas de falha interna e externa. Além disso, os sistemas nos edifícios inteligentes de hoje precisam suportar vários modos de conexão — assim como flexibilidade nos modos de montagem física e de operação — se quiserem atender às necessidades de várias instalações, tipos de baterias e outras variáveis.

É possível reunir o que é necessário para alimentação CA-CC ou CC-CC, recarga e gerenciamento da bateria, e supervisão, gerenciamento e controle do sistema de alarme usando subsistemas díspares. O resultado pode ser um projeto totalmente otimizado para a aplicação. Mas a que custo? O processo de fazer isso é demorado, caro e distrai da aplicação principal. O projeto também deve ser certificado pelas autoridades reguladoras apropriadas, o que aumenta o custo e o tempo de projeto.

Uma alternativa é usar uma fonte de alimentação integrada tudo-em-um que atenda aos principais requisitos de desempenho, evitando os inconvenientes do projeto a partir do zero.

Este artigo discute as exigências dos sistemas de energia para automação predial antes de introduzir soluções de fonte de alimentação integrada da MEAN WELL. O artigo analisará as características e a aplicação destes sofisticados e inteligentes subsistemas de energia, e como eles oferecem uma integração funcional perfeita, além de flexibilidade e programabilidade de parâmetros.

Novas exigências no gerenciamento de edifícios e sistemas de energia de segurança

Atualmente, espera-se que o subsistema de energia de um escritório comercial ou de um grande edifício residencial suporte muitas funções, algumas necessárias para uma operação eficiente e outras obrigatórias para a segurança e proteção. Entre as funções que requerem suporte ao barramento de energia estão:

• Alarmes e sistemas de segurança contra incêndio
• Equipamento de comunicação de emergência
• Iluminação de emergência (devido a incêndio ou outros cortes de energia)
• Sistemas de controle de acesso a edifícios
• Sistema central de alarme contra incêndio e monitoramento de segurança

Dependendo do tamanho do edifício, o subsistema de energia deve suportar funções críticas em vários andares e ser bidirecional com a linha primária CA (ou CC) carregando a bateria quando essa opção estiver disponível, e a bateria suportando as várias cargas e subsistemas se a linha primária não estiver disponível (Figura 1).

Figura 1: Um subsistema de energia em muitas instalações deve suportar as necessidades de vários andares enquanto consegue carregar uma bateria e sua descarga quando a alimentação primária falha. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

Uma consideração importante é carregar e gerenciar a bateria reserva, que deve ser devidamente supervisionada por seu papel crítico como um sistema de alimentação ininterrupta (UPS). Não há aqui uma única melhor abordagem, pois as baterias com diferentes tipos e capacidades elétricas estão em amplo uso, incluindo as químicas de lítio e chumbo-ácido, cada uma com suas próprias diretrizes de carga/descarga.

Além disso, há muitas normas e mandatos de código de obras que devem ser satisfeitos, além dos mais convencionais, para qualquer fonte CA-CC ou CC-CC. Devido ao aumento das arquiteturas avançadas de edifícios, e com o reconhecimento do que a tecnologia pode fazer em edifícios inteligentes, agências na Europa, nos EUA e na China promulgaram regulamentos de segurança para sistemas de segurança e contra incêndios, incluindo:

• Comitê Europeu de Normalização (CEN) EN 54-4: Sistemas de detecção e alarme contra incêndios Parte 4: Equipamento de fonte de alimentação (Padrão Britânico. BS EN. 54-4).
• Estados Unidos: UL2524: Norma ANSI/CAN/UL para Sistemas Bidirecionais de Emergência e Melhoria da Comunicação por Rádio na Construção.
• Estados Unidos: Associação Nacional de Proteção Contra Incêndios NFPA 1221: Norma para a Instalação, Manutenção e uso dos Sistemas de Emergência em Comunicações e Serviços.
• China: GB 17945-2010: Iluminação de emergência contra incêndio e sistema de indicação de evacuação.

Além disso, existem os mandatos básicos usuais de segurança CA, além das normas para emissões de compatibilidade eletromagnética (EMC) (condução, radiação, corrente harmônica e cintilação de tensão definidas pela EN55032 (CISPR32) e N61000-3-2, e para imunidade EMC (descarga eletrostática (ESD), radiada, transiente elétrico rápido (EFT), ruptura, surto, conduzida e campo magnético) de acordo com a EN61000-4.

Reunir todas essas exigências significa que uma unidade de fonte de alimentação (PSU) é mais do que uma simples fonte CA-CC ou CC-CC. Deve fornecer, supervisionar, gerenciar e suportar várias funções com um alto grau de confiabilidade e desempenho (Figura 2).

Figura 2: Uma PSU moderna tem duas funções primárias: fornecer baixa tensão CC para várias cargas, além de fornecer gerenciamento de bateria de alto desempenho. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

O empacotamento e a montagem também são importantes

Considerações de tamanho físico, faixa da temperatura de operação, resfriamento e montagem também são fatores importantes da PSU. Estas unidades estão normalmente localizadas em um armário de utilidades, muitas vezes com espaço e resfriamento limitados. Além da PSU e da bateria, este armário também pode abrigar equipamentos de dados e telecomunicações para o prédio, tais como comutadores e roteadores, de modo que o espaço é de primeira qualidade, e a conveniência da montagem em rack é uma característica atraente.

Fontes de alimentação integradas atendem aos requisitos de gerenciamento de energia do edifício

Para atender às necessidades de desempenho, fator de forma, montagem e simplificação do projeto dos projetistas de automação predial, a MEAN WELL tem o DRS-240-12, uma unidade de 12 volts/20 A, 240 watts, tudo em um, bem como um parente maior, o DRS-480-24, uma unidade de 24 volts/20 A, 480 watts. Outras unidades da série DRS-240 oferecem diferentes combinações de tensão/corrente: 24 volts/10 A, 36 volts/6,6 A e 48 volts/5 A; para a série DRS-480, os pares disponíveis são 36 volts/13,3 A e 48 volts/10 A.

Com relação à questão da colocação e montagem, as unidades DRS-240 e DRS-480 tratam disso através da montagem direta em trilhos DIN, padrão da indústria, tipo TS-35/7.5 ou 15, amplamente utilizados. Isto simplifica a montagem e permite que outros sistemas e seus invólucros sejam facilmente montados ao lado. Além disso, um projeto de trilho DIN significa que todas as conexões, indicadores e leituras estão na frente, sem necessidade de painel traseiro ou mesmo acesso lateral. Isto é um benefício no planejamento da fiação, instalação, configuração, testes e religamento, se necessário.

O espaço disponível nestes armários é de primeira qualidade, portanto, um fator de forma compacto da PSU é importante. As unidades DRS-240 são de apenas 86 × 125 × 129 milímetros (mm) (largura × altura × profundidade), enquanto que as unidades DRS-480 são de 110 × 125 × 151 mm (Figura 3).

Figura 3: As unidades DRS de 240 watts (esquerda) e 480 watts (direita) têm um fator de forma compacto e são montadas em um trilho padrão DIN; a unidade de 480 watts é ligeiramente maior. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

As condições ambientais desses gabinetes e armários também representam um desafio para o desempenho a curto e longo prazo. Todos os membros das famílias DRS são dimensionados para operação sem condensação de -30 a +70˚C e de 20 a 90% de umidade relativa (UR) com resfriamento por convecção de ar. A confiabilidade é calculada em 564,7 mil horas (mínimo) pela Telcordia SR-332 (Bellcore) e 73,3 mil horas mínimas pela MIL-HDBK-217F (em 25˚C) para as unidades DRS-240; os números correspondentes para as unidades DRS-480 são apenas ligeiramente inferiores.

A entrada de energia da linha leva à saída CC e ao gerenciamento da bateria

Dadas as variações da rede e o desejo da facilidade de instalação e da aplicação universal, a faixa da energia de entrada também é importante. Estas PSUs são especificadas para 90 a 305 volts CA e 127 a 431 volts CC. Muitas das funções dentro destas unidades são dedicadas ao carregamento, descarregamento, indicação de status e gerenciamento geral da bateria (Figura 4).

Figura 4: O diagrama de blocos das PSUs DRS mostra sua sofisticação interna e a quantidade de circuitos dedicados ao gerenciamento da bateria, carga/descarga, indicadores e proteção. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

A curva de carga de dois estágios/três estágios e a definição da corrente de carga (entre 20% a 100%) podem ser ajustadas manualmente através de um interruptor DIP no painel frontal. A corrente máxima disponível para carga da bateria é uma função da corrente máxima de saída disponível do modelo DRS específico. O algoritmo de carga da bateria é dependente da carga e a flexibilidade do parâmetro de carga permite que o DRS-240/480 gerencie de forma ideal uma variedade de baterias de chumbo-ácido e lítio.

Devido à importância da função da bateria, o sistema também inclui indicadores de bateria fraca e proteção contra conexão invertida. Estas e outras características combinam-se para fornecer um subsistema de bateria robusto e confiável que pode ser carregado na rede elétrica, mas também alternar e fornecer sua potência nominal em 10 milissegundos quando a rede elétrica não estiver disponível.

Falhas e problemas acontecerão

É inevitável que haja condições internas ou externas que afetem a capacidade de uma PSU de fornecer todas as funções especificadas. Por este motivo, as unidades DRS incluem indicações de status para condições como curto-circuitos, sobrecargas, sobretensão e temperatura excessiva, além dos indicadores de bateria baixa e de conexão invertida já citados.

Também são importantes os indicadores de status tangíveis das condições principais de operação de falha CA, CC OK, bateria fraca, falha do carregador e CC OK, que são fornecidos por LEDs e relés de contatos tipo C (Figura 5). Os relés de tipo C estão claramente marcados e proporcionam um fechamento de contato "seco" que é utilizado (e obrigatório, em alguns casos) por várias razões.

Figura 5: O painel frontal é tudo o que o usuário vê para conexões de energia, indicadores e contatos de relé. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

Estes fechamentos de contato são inequívocos e oferecem vários benefícios. Há muito tempo são usados na aplicação e por isso são compatíveis e facilmente integrados tanto com sistemas e componentes novos e antigos (ainda que básicos, como uma luz piscante externa e uma campainha); são altamente confiáveis e robustos; e o fechamento da chave é a indicação mais definitiva que um sistema pode fornecer, especialmente se houver problemas de energia que possam afetar a operação de interfaces mais "eletrônicas", como saídas de coletor aberto ou mesmo relés de estado sólido (SSRs).

As comunicações também são obrigatórias

Uma PSU moderna também deve oferecer conectividade de rede para gerenciamento, configuração e relatórios de alto nível. As famílias DRS padrões de PSUs suportam links Modbus, com uma opção de barramento CAN, que também pode ser usada com uma unidade de programação inteligente disponível. Este gravador de memória é usado para ajuste externo de parâmetros associados às curvas e modos de carga da bateria, tais como a corrente constante (CC), corrente descendente (TC), tensão constante (CV) e tensão flutuante (FV), para acomodar os muitos tipos diferentes de baterias em uso em toda a indústria (Figura 6).

Figura 6: Usando o gravador de memória baseado em Modbus, um usuário pode definir as muitas especificações de carregamento da bateria para corresponder de forma ideal ao tamanho e tipo dela. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

Embora as famílias DRS de PSUs ofereçam muitas funções e recursos, sua conexão real é bastante simples. Este é um benefício e uma preferência importante nas instalações práticas, especialmente porque estas unidades são frequentemente utilizadas por muitos anos (Figura 7).

Figura 7: A complexidade interna e a sofisticação das famílias DRS de PSUs são invisíveis para o usuário, que deve lidar apenas com algumas conexões e indicadores do painel frontal. (Fonte da imagem: MEAN WELL)

Conclusão

Unidades de fonte de alimentação como as das famílias DRS-240 e DRS-480 da MEAN WELL fornecem mais do que a conversão básica CA-CC ou CC-CC. Elas são uma solução comprovada de gerenciamento de energia para sistemas de segurança contra incêndio e proteção de edifícios, incluindo equipamentos de comunicação de emergência. Como mostrado, ao integrar todas as funções necessárias em um invólucro pequeno, eficiente e confiável de trilho DIN, facilmente montado e conectado, as fontes DRS simplificam a documentação, instalação e operação, ao mesmo tempo em que fornecem a funcionalidade, os recursos e o desempenho necessários para atender a uma série de códigos regulatórios.

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