Articolo UPS - cloudfront.net

Protezione efficace dellʼenergia
Unʼalimentazione elettrica senza interruzioni e di buona qualità è oggi una
necessità sempre più stringente
Nei moderni impianti elettrici crescono sempre più le utenze che svolgono ruoli
fondamentali e critici per la vita delle aziende, per la sicurezza delle persone,
per la conservazione e il trattamento dei dati e per le comunicazioni. Si tratta di
dispositivi sofisticati e sensibili, che possono risentire dei disturbi provenienti
dalla rete di pubblica.
Installati come interfaccia tra la rete elettrica e i carichi, i Gruppi statici di
continuità (UPS) forniscono a questi ultimi unʼalimentazione elettrica continua di
elevata qualità in caso di mancanza di tensione in rete.
Esistono, però, altri problemi relativi allʼalimentazione che un UPS può essere
chiamato a risolvere:
- compensare i cali di tensione di breve durata;
- eliminare i fenomeni transitori (picchi di tensione);
- equilibrare le condizioni di bassa tensione di medio termine (oscuramenti
parziali);
- proteggere dalle sovratensioni di medio termine nella rete;
- eliminare le interferenze elettriche nella rete;
- compensare le variazioni nella frequenza di alimentazione;
- eliminare i transienti switching (notch);
- occuparsi della distorsione armonica del sistema di alimentazione.
Ovviamente, non tutte queste funzioni sono richieste per ogni applicazione e
scegliere un UPS che offra solo le funzioni effettivamente necessarie è
fondamentale per realizzare utili vantaggi e risparmi.
Le principali tipologie di UPS sono normalmente costituite da tre principali
blocchi:
- un raddrizzatore/caricabatterie, per trasformare la corrente alternata in
continua e caricare le batterie;
- un gruppo batterie per immagazzinare lʼenergia e poterla recuperare
immediatamente quando necessario;
- un convertitore statico (inverter), per trasformare la tensione continua delle
batterie in alternata, stabilizzata e filtrata in tensione e/o frequenza.
Questi tre componenti possono essere integrati con funzioni supplementari: un
by pass automatico, per assicurare lʼalimentazione in caso di sovraccarichi o
guasto dellʼUPS; un by pass manuale, per un isolamento completo dellʼUPS;
diverse funzioni di segnalazioni e di diagnostica, locali o remote.
Un prodotto per ogni esigenza
Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tipologie di UPS in risposta
alle particolari esigenze degli utenti e dei carichi da proteggere, con potenze
che possono variare da poche decine di watt a vari megawatt.
Per la scelta e lʼacquisto di un gruppo di continuità è fondamentale, come detto,
indirizzarsi verso la corretta tipologia, perché una scelta sbagliata potrebbe
avere un notevole impatto sia sulle prestazioni, sia sui costi.
In relazione al modo dʼinteragire con lʼalimentazione e alla funzione svolta,
esistono oggi tre principali famiglie di UPS, classificate dalla Norma IEC EN
62040-3:
- UPS off line, passivo di riserva (VFD);
- UPS interattivo (VI);
- UPS a doppia conversione (VFI).
UPS off line
Nel funzionamento off line, lʼalimentazione di rete viene filtrata per ridurre al
minimo le sovratensioni e inviata direttamente al carico senza alcuna forma di
conversione attiva, mentre, contemporaneamente, ricarica la batteria attraverso
un caricabatterie; la frequenza di uscita dipende da quella di entrata. In caso
dʼinterruzione dellʼalimentazione di rete, lʼUPS fornisce tensione dalla batteria,
tramite lʼinverter, che entrerà in funzione alimentando direttamente il carico
attraverso il commutatore di by pass, che può essere elettronico o
elettromeccanico. Il sistema batteria/inverter mantiene lʼalimentazione al carico
fino allʼesaurimento della batteria o al ripristino della tensione di rete.
Gli UPS di questo tipo sono economici, grazie alla semplicità del loro schema, e
possono rappresentare una buona scelta per proteggere, ad esempio, i singoli
PC in ambiente SOHO (Small Office Home Office) e altre applicazioni non
critiche. Tuttavia non sono generalmente considerati adeguati per applicazioni
più complesse, a causa delle limitate prestazioni dellʼapparecchiatura: non vi è,
infatti, una separazione tra rete e utenze; i tempi di commutazione abbastanza
lunghi (dellʼordine della decina di millisecondi) non sempre sono adeguati alla
criticità dei carichi; manca un sistema di regolazione della frequenza dʼuscita.
In altre parole, forniscono protezione solo in caso dʼinterruzione di
alimentazione, di calo di tensione e di sovracorrente e, in condizioni di
attenuazioni parziali, utilizzano comunque lʼalimentazione tramite batteria, che
potrebbe esaurirsi più rapidamente, a differenza di altre configurazioni che,
invece, compensano la bassa tensione di rete senza fare ricorso alle batterie e
possono
pertanto
continuare
abbassamento parziale.
ad
operare
illimitatamente
durante
un
UPS interattivo
La configurazione del gruppo di continuità di questo tipo è caratterizzata dalla
presenza di un inverter in parallelo alla linea di alimentazione, che, in modalità
di funzionamento normale, assicura la stabilizzazione della tensione di uscita e
provvede alla ricarica delle batterie. La frequenza dʼuscita dipende da quella
dʼingresso in corrente alternata.
Quando la tensione di rete manca o non rientra nelle tolleranze ammesse
dallʼUPS, lʼinverter e la batteria garantiscono unʼalimentazione continua del
carico, mentre un interruttore a stato solido isola il sistema per evitare ritorni di
tensione verso la rete.
A prima vista, il funzionamento di questo tipo di UPS sembra molto simile a
quello del precedente. La differenza sostanziale è dovuta allʼintroduzione del
circuito che può aumentare o ridurre la tensione di alimentazione prima di
inviarla al carico, senza dover far ricorso allʼalimentazione a batteria.
Nei moderni UPS interattivi, la tensione di rete in ingresso viene costantemente
monitorata da un sistema basato su microprocessore e, se questa tensione
esce
dallʼintervallo
predeterminato,
la
compensazione
viene
applicata
istantaneamente e automaticamente. Questo tipo di UPS può, quindi, svolgere
non soltanto le tre funzioni di protezione disponibili nei sistemi off line, ma
anche una protezione contro le condizioni di sottotensione e sovratensione.
Sono UPS che si posizionano in termini di prezzo tra i sistemi off line e quelli a
doppia conversione e possono sicuramente essere presi in considerazione per
la maggior parte delle applicazioni, a condizione che la frequenza di rete sia
ragionevolmente stabile.
UPS a doppia conversione
Si tratta dellʼarchitettura più utilizzata e completa, che offre le maggiori
prestazioni di sicurezza dellʼalimentazione e assicura unʼeccellente qualità
dellʼenergia fornita.
La struttura prevede un raddrizzatore che converte lʼalimentazione alternata di
rete in corrente continua, utilizzata per caricare le batterie e per alimentare
lʼinverter di uscita, il quale riconverte la continua in alternata con una forma
dʼonda ottimale totalmente svincolata da quella dʼingresso, per lʼalimentazione
delle apparecchiature critiche. In caso di mancanza di rete, la batteria subentra
e alimenta lʼinverter senza interruzioni durante la commutazione.
Gli UPS a doppia conversione isolano efficacemente il carico da tutto ciò che
può essere potenzialmente pericoloso o fastidioso nellʼalimentazione di rete. Di
conseguenza, possono offrire tutte le funzioni di protezione richieste ai Gruppi
statici di continuità. Nelle applicazioni più critiche, quindi, la doppia conversione
è una scelta ottimale, che tuttavia presenta alcuni inconvenienti. Ad esempio, è
la più costosa di quelle esaminate e, dal momento che lʼalimentazione viene
convertita due volte durante il suo percorso verso il carico, è intrinsecamente
meno efficiente rispetto alle altre due nella condizione di presenza
dellʼalimentazione di rete.
I fornitori di UPS stanno, ovviamente, cercando di risolvere questo problema, in
primo luogo, migliorando lʼefficienza del convertitore e dellʼinverter, ma con
limitati vantaggi. Sono state, quindi, studiate soluzioni più innovative, come ad
esempio un sistema che esclude lʼUPS e alimenta il carico direttamente dalla
rete quando essa è presente e correttamente funzionante, ma passa
istantaneamente alla modalità a doppia conversione nel caso di problemi. I
migliori sistemi di questo tipo raggiungono efficienze pari a circa il 99% nella
modalità di by pass e passano alla modalità a doppia conversione in meno di
due millisecondi, garantendo lʼassenza di disturbi anche per i carichi più
sensibili.