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Le
prestazioni dei gruppi statici di continuità - I criteri
di scelta
26/01/2006
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Criteri di scelta delle prestazioni
- Classi prestazionali o dinamica di uscita
- Dimensionamento elettrico dell’UPS
- Sovraccarico
- Le principali norme CEI sugli UPS
- Corrente di dispersione verso terra
La
qualità dell'alimentazione elettrica fornita dall'Ente distributore
può essere fonte di disturbi e perturbazione per gli utenti
molto sensibili alle variazioni di tensione, di frequenza e alla
qualità della forma d’onda. Particolarmente delicate
sotto questo aspetto sono le utenze informatiche in quanto possono
essere soggette a perdita parziale o totale dei dati. Le soluzioni
tecniche realizzabili sono numerose, ma i gruppi statici di continuità
(UPS) rappresentano attualmente il 95% dei sistemi di back-up di
alimentazione.
I
gruppi statici di continuità meglio noti
come UPS (Uninterruptible Power System) costituiscono
attualmente un elemento essenziale per la distribuzione di energia
di alta qualità.
Essi sono composti dai seguenti componenti principali:
- Un convertitore c.a./c.c., costituito da un raddrizzatore
a ponte di Graetz che, in relazione alla potenza del gruppo, può
essere con reazione esafase o dodecafase. Il convertitore c.a./c.c.
riceve l’alimentazione dalla rete in corrente alternata monofase
o trifase e la converte in corrente continua per alimentare l’invertitore
(c.c./c.a.) e mantenere in carica la batteria di accumulatori. La
tensione in uscita dal raddrizzatore ha oscillazioni contenute normalmente
nell’1% con una variazione di carico da 0 al 100% e una oscillazione
dei parametri di ingresso del 15% per la tensione e del 5% per la
frequenza.
- Un filtro in uscita L-C con il compito di ridurre
il ripple di tensione a un valore inferiore al 2% RMS in carica
di mantenimento.
- Una batteria di accumulatori normalmente fornita
insieme all’UPS e installata nello stesso armadio. Con questa
soluzione, il fornitore garantisce l’autonomia fornita dall’UPS
specificando la potenza apparente del carico e il fattore di potenza.
La batteria provvede ad alimentare il convertitore c.c./c.a. in
mancanza della normale rete di alimentazione. Le batterie sono generalmente
batterie regolate a valvola (VRLA) normalmente conosciute come batterie
ermetiche, con elettrolito immobilizzato, bassissime perdite di
gas a norma CEI EN 6096-1 e 2. queste batterie sono installabili
anche in locali pubblici e uffici senza precauzioni particolari.
Le batterie stazionarie a vaso aperto sono tuttora impiegate nelle
installazioni che richiedono livelli di potenza e rendimento elevati.
Esse devono però essere installate in un locale idoneo, rispettando
le prescrizioni delle norme relative circa l’immissione d’aria
e sono soggette a regolare manutenzione per il rabbocco dell’elettrolito.
In ambienti particolarmente critici con temperature da -3 a 60°C
e in presenza di particolari sollecitazioni meccaniche ed elettriche
si possono impiegare batterie al nichel-cadmio la cui vita media
è di circa 15-20 anni, il costo è però circa
5 volte superiore rispetto alle batterie VRLA equivalenti.
- Un convertitore c.c./c.a. o inverter controllato
da un microprocessore che genera una tensione alternata con forma
d’onda sinusoidale perfettamente filtrata in tensione e frequenza
per l’alimentazione dei carichi privilegiati.
Nelle versioni moderne di UPS, tutti i principali blocchi (raddrizzatore,
carica batterie e inverter) sono equipaggiati con IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor). Per quanto concerne il raddrizzatore,
l’impiego di IGBT ha permesso di ottenere notevoli prestazioni
sia relativamente al contenuto armonico in corrente che al fattore
di potenza in ingresso. Esiste inoltre piena compatibilità
con l’impiego di un gruppo elettrogeno e non risultano necessari
sovradimensionamenti dell’alternatore per ottenere una distorsione
armonica totale di tensione (THDV) minore dell’8%.
Il gruppo di continuità è normalmente completato da
un by-pass automatico, normalmente un commutatore
statico che in caso di sovraccarichi o guasti all’UPS trasferisce
il carico sulla rete di riserva, e un bypass manuale che consente
l’isolamento completo del gruppo per le operazioni di manutenzione.
Criteri
di scelta delle prestazioni
Sono state sviluppate numerose configurazioni di UPS in relazione
alle specifiche esigenze dei clienti e alla qualità di alimentazione
richiesta dai diversi tipi di carichi.
La classificazione dei gruppi di continuità in base alle
prestazioni, stabilita nella norma CEI EN 50091-3 e riportata nella
più recente norma CEI EN 62040-3 è la seguente.
-
UPS a doppia conversione VFI (Voltage and Frequency Independent)
Si tratta dell’applicazione precedentemente nota come “On
Line” nella quale l’UPS a doppia conversione costituisce
l’interfaccia fra la rete di alimentazione e il carico. Quest’ultimo
viene sempre alimentato dall’invertitore indipendentemente
dalle condizioni della rete.
In condizioni normali, con la rete di alimentazione presente, l’energia
transita attraverso il convertitore c.a./c.c. e l’inverter
c.c./c.a. per alimentare il carico. Quando la tensione di rete non
è contenuta nei limiti prescritti, l’inverter continua
ad alimentare il carico alimentato dalla batteria di accumulatori.
Si tratta indubbiamente della configurazione migliore per i problemi
di selettività, che può essere utilizzato anche come
convertitore di frequenza. La continuità dell’alimentazione
del carico viene garantita con l’impiego del bypass (normalmente
costituito da un commutatore automatico) che provvede a commutare
il carico su di una linea alternativa nei seguenti casi:
- anomalie di funzionamento dell’UPS;
- sovraccarico dovuto a correnti di spunto o di cortocircuito;
- sovracorrenti transitorie.
Vantaggi. Il carico viene sempre alimentato dall’inverter
a tensione regolata, pertanto è immune da tutti i disturbi
della tensione in ingresso, sia nel funzionamento con l’alimentazione
dalla rete che nei casi di mancanza di questa. In tal caso, il gruppo
di continuità passa senza alcuna interruzione all’alimentazione
da batteria e vi rimane siano a quando la rete principale rientra
nelle tolleranze. Le variazioni di frequenza sono controllate entro
i limiti prescritti dalla norma ENV 61000-2-2 (CEI 110-10). Questa
configurazione permette tolleranze notevoli sulla tensione di alimentazione.
Inoltre se l’inverter è in fase con la linea di alimentazione
alternativa, anche la commutazione effettuata con l’interruttore
statico non comporta alcuna interruzione, pertanto si realizza la
totale assenza di tempi morti.
Svantaggi. Il prezzo e la complessità di
questa tipologia di UPS è maggiore rispetto alle altre che
descriveremo e il rendimento risulta inferiore di qualche punto.
Impiego. L’UPS a doppia conversione è
di impiego comune per i vantaggi che comporta, in modo particolare
viene utilizzato nei casi di applicazione con potenza elevata.
-
UPS con funzionamento interattivo categoria VI (Voltage Independent)
Questa configurazione prevede che l’inverter sia posto in
parallelo alla linea di alimentazione e si faccia carico dell’erogazione
dell’energia nel funzionamento da batteria. Se l’inverter
è a quattro quadranti funziona anche come carica batteria
e permette una regolazione della tensione di uscita. Nel funzionamento
normale il carico viene alimentato dalla rete mentre l’inverter
riesce ad interagire controllando la qualità dell’uscita.
Quando la tensione di alimentazione non rientra nelle tolleranze
ammesse dall’UPS oppure si verifica un black-out, l’inverter
e la batteria garantiscono un’alimentazione ininterrotta del
carico. Un interruttore statico o elettromeccanico a monte, seziona
l’alimentazione di ingresso per evitare ritorni di energia
in rete. In queste condizioni, il carico viene alimentato dalla
batteria sino al suo esaurimento o al ritorno della rete di alimentazione
entro le tolleranze ammesse dall’UPS.
Vantaggi. Questa applicazione presenta costi ridotti
in quanto è installato un solo convertitore.
Svantaggi. Non vi è isolamento tra la rete
e il carico e i disturbi della rete vengono visti integralmente
dal carico. Il condizionamento della tensione in uscita non risulta
efficace proprio per la connessione dell’UPS in parallelo,
la frequenza di uscita non è regolata e dipende pertanto
da quella di ingresso.
Impiego. A causa della limitazione sopra citata,
questa applicazione trova un impiego limitato.
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UPS Stand-By categoria VFD (Voltage and Frequency Dependent)
Questa applicazione è la più semplice fra quelle esaminate.
In condizioni normali il carico viene alimentato direttamente dalla
rete tramite il commutatore by-pass dell’UPS. Possono essere
impiegati filtri che eliminano i disturbi sulla forma d’onda
quali trasformatori ferro-risonanti o variatori automatici. La frequenza
di uscita dipende da quella in ingresso. Nel funzionamento normale
l’inverter è passivo cioè non trasferisce energia
e le batterie sono mantenute in carica dal carica batterie. Quando
la rete di alimentazione non rientra nei limiti di tolleranza ammessi
dall’UPS il funzionamento viene commutato sull’inverter
che funziona alimentato dalla batteria tramite un commutatore di
by-pass che può essere elettronico o elettromeccanico. Il
sistema invertitore batteria garantisce l’alimentazione del
carico sino all’esaurimento della batteria o al ritorno della
tensione di alimentazione di ingresso entro le tolleranze ammesse.
Questo tipo di UPS è conosciuto anche con il nome di “soccorritore”.
Vantaggi. Questa configurazione costituisce una
struttura semplice che richiede costi modesti.
Svantaggi. Mancanza di separazione del carico dalla
rete. Tempo di commutazione (<10 ms) che può risultare
critico in qualche applicazione particolare. La frequenza di uscita
rimane legata a quella di entrata e la tensione non viene regolata
nell’alimentazione dalla rete.
Applicazione. Si tratta di una architettura che
trova usualmente impiego in apparecchiature di bassa potenza.
Classi
prestazionali o dinamica di uscita
La norma CEI EN 62040-3 definisce tre classi di UPS in relazione
alle caratteristiche dinamiche di uscita:
Classe 1. A tale classe appartengono i gruppi di
continuità con le migliori prestazioni che riescono a mantenere
l’alimentazione al carico senza nessuna interruzione nella
commutazione di alimentazione dalla rete alla batteria;
Classe 2. Gli UPS appartenenti a questa classe
ammettono durante il transitorio una mancanza di alimentazione di
1 ms e il valore nominale della variazione di tensione è
superiore a quello delle apparecchiature di classe 1;
Classe 3. Una classe di funzionamento con prestazioni
particolarmente basse, infatti la mancanza totale di alimentazione
può protrarsi sino a 10 ms.
Dimensionamento
elettrico dell’UPS
Nel dimensionamento elettrico dell’UPS è di fondamentale
importanza che la potenza apparente e quella attiva dell’apparecchiatura
siano almeno uguali o superiori a quelle dei carichi alimentati.
Il dimensionamento deve inoltre tener conto dell’energia necessaria
per caricare la batteria e delle esigenze future per le quali si
considera un margine del 30%. Se il valore della potenza attiva
e del fattore di potenza dei carichi non è precisato, per
una corretta scelta dell’UPS è opportuno effettuare
una misura della potenza assorbita. E’ necessario verificare
che l’UPS sia dimensionato per l’alimentazione dei carichi
distorcenti con un fattore di cresta pari o superiore a quello dei
carichi nel loro insieme e che la corrispondente distorsione della
tensione di uscita risulti compatibile con i carichi da alimentare.
Sovraccarico
E’ opportuno valutare gli spunti e verificare che il gruppo
di continuità sia in grado di sostenerli tenendo conto delle
capacità di sovraccarico dell’UPS stesso.
Nel caso i carichi producessero sovraccarichi superiori al valore
o alla durata permessa dall’UPS si possono adottare le seguenti
soluzioni:
- ricorrere a un gruppo di continuità di potenza superiore;
- ammettere che in presenza di sovraccarico, l’utenza venga
automaticamente alimentata dalla rete tramite il commutatore automatico
by-pass per il tempo necessario.
Le
principali norme CEI sugli UPS
- CEI EN 62040-1-1 (CEI 22-26). Prescrizioni generali e di sicurezza
per UPS utilizzati in aree accessibili all’operatore.
- CEI EN 62040-1-2 (CEI 22-27). Sistemi statici di continuità
Parte 1-2. Prescrizioni generali e di sicurezza per UPS utilizzati
in ambienti ad accesso limitato.
- CEI EN 50091-2 (CEI 22-9). Sistemi statici di continuità
(UPS). Prescrizioni di compatibilità elettromagnetica.
- CEI EN 62040-3 (CEI 22-24). Sistemi statici di continuità
(UPS). Prescrizioni di prestazioni e metodi di prova.
Corrente
di dispersione verso terra
Negli apparecchi utilizzatori normalmente la corrente verso terra
è limitata a qualche frazione di mA o al massimo a qualche
mA. Nel caso di interruzione accidentale del conduttore di protezione,
la corrente di dispersione fluisce attraverso il corpo umano senza
problemi per la persona. Nei gruppi di continuità statici,
la presenza di filtri può determinare un forte aumento della
corrente di dispersione. La norma distingue pertanto queste apparecchiature
in tipo A e tipo B. Gli apparecchi con corrente di dispersione sino
a 3,5 mA sono denominati di tipo A e sono alimentati
da una presa a spina a uso domestico e similare.
Gli apparecchi di tipo B sono quelli dotati di
filtri verso terra per i quali la norma ammette correnti di dispersione
superiori, sino al 5% della corrente nominale dell’apparecchio.
Normalmente si tratta di apparecchi di grossa potenza ad installazione
fissa o alimentati tramite presa e spina industriale. Per gli apparecchi
di tipo B il collegamento a terra è essenziale per la sicurezza
in quanto in mancanza di tale collegamento la persona può
essere in pericolo anche senza un guasto a terra. Per rendere sicuro
il collegamento a terra degli apparecchi con corrente di dispersione
superiore a 10 mA la norma CEI 64-8 richiede un duplice collegamento
a terra con un conduttore di protezione di sezione pari ad almeno
4 mm2. In alternativa occorre monitorare il collegamento a terra
o alimentare l’apparecchio con un trasformatore con avvolgimenti
separati. In ogni caso sugli apparecchi di tipo B deve essere posto
un cartello indicante “corrente di dispersione elevata effettuare
il collegamento a terra prima di collegare l’alimentazione”
(CEI EN 60950 art. 5.2.5).
di:
Giuseppe Priora
da: L'impianto elettrico n. 11 Dicembre 2005 http://www.impiantinews.com/
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